固體聲速測定

1、 體中聲速測定一、實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗了解超聲波產(chǎn)生和在介質(zhì)中傳播的基本原理，并掌握利用超聲波測速與探傷的基本方法。二、實驗內(nèi)容1、通過時差法測量固體中聲速2、利用超聲波探測非金屬固體樣品中缺陷三超聲波原理1、聲波常識聲波是在彈性介質(zhì)（固體、液體、氣體）中傳播的一種機(jī)械振動。頻率在2020000Hz的聲波稱為可聽聲波；頻率高于20000Hz聲波稱為可超聲波；頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波。在液體、氣體中只能傳播縱波，在固體中則既能傳播縱波，也可以傳播橫波。次聲波、聲波和超聲波都是在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波。它們的區(qū)別主要在于頻率不同。聲波的傳播速度幾乎與頻率無關(guān)，但是由于速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，所

2、以聲波的傳播速度對于溫度和壓強(qiáng)的變化很敏感。在同一溫度下，聲波在液體與固體中的速度大于在空氣中的速度。介質(zhì)對聲波的吸收與聲波頻率有關(guān)，對于同一物質(zhì)，聲波的頻率越高，吸收越強(qiáng)。對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收最歷害，在液體中傳播時吸收比較弱，在固體中傳播時吸收最小。傳聲介質(zhì)對聲波的吸收是聲衰減的主要原因之一。固體介質(zhì)的結(jié)構(gòu)情況對聲波在其中的吸收有很大的影響。例如，均勻介質(zhì)對超聲波的吸收并不顯著，而當(dāng)介質(zhì)結(jié)構(gòu)不均勻時，聲吸收情況將發(fā)生明顯變化。在各向同性的固體材料中，根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變滿足的虎克定律,可以求得聲波傳播的特征方程：其中P為聲壓，C為超聲波傳播速度。當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波的

3、傳播方向一致時,稱為縱波；當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與超聲波的傳播方向相垂直時，稱為橫波。無論是材料中的縱波還是橫波,其速度可表示為：dU=t其中，d為聲波傳播距離，t為聲波傳播時間。對于同一種材料,其縱波波速和橫波波速的大小一般不一樣，但是它們都由彈性介質(zhì)的密度、楊氏模量和泊松比等彈性參數(shù)決定,即影響這些物理常數(shù)的因素都對聲速有影響。相反,利用測量超聲波速度的方法可以測量材料有關(guān)的彈性常數(shù)。固體在外力作用下，其長度沿力的方向產(chǎn)生變形。變形時的應(yīng)力與應(yīng)變之比就定義為楊氏模量，一般用Y表示（在本書楊氏模量測量的實驗中有介紹），固體在應(yīng)力作用下。沿縱向有一正應(yīng)變（伸長），沿橫向就將有一個負(fù)應(yīng)變（縮短）

4、，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比被定義為泊松比，記做。，它也是表示材料彈性性質(zhì)的一個物理量。在各向同性固體介質(zhì)中，各種波型的聲波聲速為：縱波聲速：E(l-)l(1+)(1-2)橫波聲速：E2p(1+)其中E為楊氏模量，。為泊松系數(shù)，P為材料密度。相應(yīng)地，通過測量介質(zhì)的縱波聲速和橫波聲速，利用以上公式可以計算介質(zhì)的彈性常數(shù)。計算公式如下：楊氏模量：p,2(3T2-4)EST2-1泊松系數(shù)：T2-22(T2-1)其中：Tl,為介質(zhì)中縱波聲速，,為介質(zhì)中橫波聲速，p為介質(zhì)的密度。,LSS2超聲波的特性超聲波頻率高，超過一般正常人聽覺所能接收到的頻率上限，不能引起耳感的聲波。雖然人耳聽不到超聲波，但是某些動物

5、卻可以感受到。例如狗能感受到幾萬赫茲的超聲波，蝙蝠能發(fā)出和感受到十幾萬赫茲的超聲波，用來在飛行中探測障礙物或捕食。超聲波頻率通常在2X1045X108Hz范圍之間。它具有與可聽聲波一樣的傳播速度。聲波在均勻彈性介質(zhì)中勻速傳播，其傳播距離與時間成正比。聲波的頻率、波長和聲速間的關(guān)系是：,vl式中乩一一波長；，波速；v頻率。由公式可見，聲波的波長與頻率成反比，超聲波則具有很短的波長。超聲波探傷技術(shù)，就是利用超聲波的高頻率和短波長所決定的傳播特性。（1）具有束射性（又叫指向性），如同一束光在介質(zhì)中是直線傳播的，可以定向控制。（2）具有穿透性，頻率越高，波長越短，穿透能力越強(qiáng)，因此可以探測很深（尺寸大

6、）的零件。穿透的介質(zhì)超致密，能量衰減越小。（3）具有界面反射性、折射性，對質(zhì)量稀疏的空氣將發(fā)生全反射。聲波頻率越高，它的傳播特性越和光的傳播特性接近。如超聲波的反射、折射規(guī)律完全符合光的反射、折射規(guī)律。3、超聲波應(yīng)用由于超聲波在固體和液體中傳播時衰減小，因此傳播距離相應(yīng)要遠(yuǎn)些，一般稱為穿透性強(qiáng)；同時超聲波頻率高，波長短，因此固體中輻射的聲場具有方向性強(qiáng)，并且傳播過程中遇到障礙物時能夠反射等特點，可以用于探測金屬和非金屬材料內(nèi)部的缺陷位置、大小和性質(zhì)。這就是應(yīng)用相當(dāng)廣泛的無損檢測技術(shù)之一超聲檢測。同樣原理推廣應(yīng)用于人體上，可以從體外來檢查體內(nèi)的某些疾病、器官動態(tài)或生理變化。超聲波容易被會集成一束

7、定向發(fā)射，遇到界面又會反射回來，并且在水中能夠傳播得很遠(yuǎn)。于是人們利用它制造出水聲儀器聲納，讓它向海下射出一束超聲波，依靠回波，可以在船上探測出海洋的深度、魚群、礁石和敵方的潛艇等超聲波在人體內(nèi)不同組織的交界面上也會反射，利用“B超”（B型超聲儀）在屏幕上生成的聲學(xué)圖像，可以觀察到胎兒和臟器，幫助醫(yī)生做出診斷。工業(yè)上使用超聲探傷儀，能夠探查出金屬零件內(nèi)部的裂紋等隱患。利用超聲波還可以做很多事。例如用它使清洗液產(chǎn)生劇烈的振蕩，以便把細(xì)小物品表面的污物除掉，用它清洗眼鏡片更顯出優(yōu)越性。醫(yī)生用超聲波擊碎人體內(nèi)的膽結(jié)石，使之可以順暢地排出體外。4、測量聲速時差法測量聲速若以脈沖調(diào)制正弦信號輸入到發(fā)射器

8、，使其發(fā)出脈沖聲波，經(jīng)時間t后到達(dá)距離L處的接收器。接收器接收到脈沖信號后，能量逐漸積累，振幅逐漸加大，脈沖信號過后，接收器作衰減振蕩。t可由測量儀自動測量。測出L后，即可由V=L/t計算聲速。亦可由儀器定性觀察。利用超聲波在零件中的勻速傳播以及在傳播中遇到界面時發(fā)生反射、折射等特性，即可以發(fā)現(xiàn)工件中的缺陷。因為缺陷處介質(zhì)不再連續(xù)，缺陷與金屬的界面就要發(fā)生反射等。5超聲波探傷儀的工作原理超聲波探傷儀首先是個超聲波發(fā)生器，它利用交流電源和振蕩電路，產(chǎn)生高頻電脈沖，并可根據(jù)探傷要求調(diào)節(jié)脈沖的頻率及發(fā)射能量。超聲波探傷儀還具有將接受到的電脈沖依其能量的大小、時間的先后通過熒光顯示屏顯示出來的功能。超

9、聲法檢測混凝土缺陷，是采用帶波形顯示的低頻超聲波檢測儀和頻率為20250kHz的聲波換能器，測量混凝土的聲速、波幅和主頻等聲學(xué)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)及其相對變化分析判斷混凝土缺陷的方法。超聲波在介質(zhì)中傳播是有能量衰減的。走過的距離越長，反射回來的能量也越小，表現(xiàn)在接收回來的脈沖高度要減少。如果傷較小，少量超聲波自傷處反射回來，將有一個矮的傷脈沖，此時大部分能量抵達(dá)工件底面，底脈沖仍較高。如果傷面積很大，則傷脈沖就會高，聲速即超聲波在混凝土中傳播的速度。它是混凝土超聲檢測中一個主要參數(shù)。混凝土的聲速與混凝土的彈性性質(zhì)有關(guān)，也與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)（孔隙、材料組成）有關(guān)。不同組成的混凝土，其聲速各不相同。

10、一般來說，彈性模量越高，內(nèi)部越是致密，其聲速也越高，而混凝土的強(qiáng)度也與它的彈性模量、孔隙率（密實性）有密切關(guān)系，因此對于同種材料與配合比的混凝土，強(qiáng)度越高，其聲速也越高。四、實驗設(shè)備及實驗步驟（1）超聲波儀1、主機(jī)超聲波儀系統(tǒng)組成見圖。側(cè)面板為儀器與外接設(shè)備連接的平臺，見圖。電源開關(guān)打開、關(guān)閉儀器電源。電源指示燈指示儀器工作狀態(tài)及電池容量。顯示屏儀器顯示輸出。USB口與打印機(jī)相連，可打印數(shù)據(jù)、波形或分析處理結(jié)果；接U盤或其它計算機(jī)還可以用于數(shù)據(jù)傳輸和文件拷貝。串口外接鍵盤或鼠標(biāo)。并口超聲波儀系統(tǒng)組與打印機(jī)相連，可打印數(shù)據(jù)、波形或分析處理結(jié)果；接其它計算機(jī)還可以用于數(shù)據(jù)傳輸發(fā)射口連接發(fā)射換能器。

11、用于輸出激勵換能器的高壓脈沖。觸發(fā)口用于接收外部觸發(fā)信號（同步信號）。接收1口US&口；U&打印機(jī)接口廠數(shù)據(jù)傳輸。審口，鍵盤龍観標(biāo)接口0發(fā)射口:發(fā)射換能器接口觸發(fā)口檔手動觸發(fā)接口超聲波儀側(cè)面板與1通道接收換能器相連，接收透過被測介質(zhì)的超聲波信號。接收2口與2通道接收換能器相連，接收透過被測介質(zhì)的超聲波（11）平面（厚度）換能器用于測強(qiáng)、測缺、測裂縫深度（2）卷尺實驗步驟1、測量固體中的聲速（1）布置測區(qū)，清理待測構(gòu)件的兩個對稱表面，布置好各測區(qū)的每對測點，并量取距離d。（2）檢測部位（測點）不平或有粉刷層時要進(jìn)行打磨清除處理。測試時換能器必須具備良好的耦合狀態(tài)。進(jìn)行缺陷檢測時，要求混凝土處于自

12、然干燥狀態(tài)。（3）開機(jī)用儀器專配的連接電纜分別將發(fā)射換能器和接收換能器與主機(jī)的“發(fā)射”接口和“接收1”接口相連。打開主機(jī)電源，在操作系統(tǒng)界面中雙擊DJUS05超聲儀（即采集系統(tǒng)）圖標(biāo)，進(jìn)入測試主界面，點擊超聲法檢測混凝土缺陷按鈕，顯示設(shè)置采集參數(shù)窗口，根據(jù)現(xiàn)場測試條件設(shè)置參數(shù)。主要參數(shù)列表參數(shù)通道個數(shù)采樣點數(shù)采樣間隔采樣延時1道、2道增益發(fā)射電壓t聲時0說明儀器內(nèi)部打開的信號通道數(shù)（即接收通道數(shù)）各道每次采樣的總點數(shù)各道每采集一個樣點到采集下一個樣點的時間間隔設(shè)置從觸發(fā)到開始采樣之間的時間設(shè)置第1、第2道的增益（放大倍數(shù)）設(shè)置激勵發(fā)射換能器的發(fā)射電壓大小儀器及發(fā)、收換能器系統(tǒng)的聲延時（又稱零聲

13、時）推薦參數(shù)設(shè)置：（實驗中應(yīng)根據(jù)測試條件適當(dāng)調(diào)整）通道個數(shù)：1；發(fā)射電壓：500；采樣延時：0；重復(fù)次數(shù)：10疊加次數(shù)：10；自動增益控制：不選擇；1道增益：0Db；其它參數(shù)默認(rèn)采樣點數(shù)、采樣間隔：采樣間隔與采樣點數(shù)的乘積為信號采集記錄的時間。因此采樣間隔與采樣點數(shù)的設(shè)置應(yīng)能保證儀器記錄下有效波形。一般設(shè)置見下表測距（即1通道間距）采樣間隔采樣點數(shù)V500mm0.12048500mm2000mm0.240962000mm5000mm0.540965000mm10000mm0.58192(4)測試t0將與儀器連接好的發(fā)射與接收換能器直接耦合，即將兩個探頭相互緊密接觸。按“快采”按鈕，儀器開始發(fā)射

14、超聲波，接收換能器接收信號并在窗口中顯示，同時顯示所測得的聲參量數(shù)值。顯示界面如圖所示。按采集監(jiān)視工具條中的相應(yīng)選項可調(diào)整波形在窗口中的顯示、首波控制線的間距大小等詳見下表）。圖標(biāo)功能圖標(biāo)功能快采手動快速采集信號波前移查看前部波形 10 采集動態(tài)采集信號波后移查看后部波形取消清除最近一次測試結(jié)果幅縮小波形振幅壓縮參數(shù)參數(shù)查看、設(shè)置幅放大波形振幅放大閥值增波形判讀線范圍增大波形擴(kuò)波形水平拉伸閥值減波形判讀線范圍減小波形縮波形水平壓縮用鼠標(biāo)在首波平衡位置點擊，將控制線（判讀線）調(diào)整至合適位置。讀取to；測量10次，求取平均值（5）測試測量點將換能器耦合在測點上，兩個換能器須垂直于構(gòu)件的表面且換能器

15、軸心應(yīng)該在一條直線上，鼠標(biāo)點擊“快采”圖標(biāo)進(jìn)行采樣，儀器接收信號并在窗口中顯示，同時以曲線形式顯示所測得的聲參量結(jié)果。如果某一測點信號質(zhì)量較差，欲重新測試，點擊采集工具條中的取消選項，即可將最近測點的結(jié)果刪除。用鼠標(biāo)在首波平衡位置點擊，將控制線（判讀線）調(diào)整至合適位置。讀取t測量10次，求取平均值d利用,=計算得到聲速tt數(shù)據(jù)記錄：1、聲速測量表1固體中聲速測量（首波）樣品尺寸：溫度項目12345678910平均0/st/s表2固體中聲速測量（利用第一個峰值）項目12345678910平均0/st/s2、探測非金屬固體樣品中缺陷換測試點，按照以上5步驟繼續(xù)測量所有布點，布點時要均勻，間距在1c

16、m左右為好。比較測點的聲時，畫出分布圖確定固體樣品中缺陷。數(shù)據(jù)記錄表3樣品中正面缺陷大小的確定樣品尺寸：次數(shù)12345To/s測點1/s測點22/s表4樣品中側(cè)面缺陷大小的確定次數(shù)12345平均To/s測點1/s測點2I?/s表5樣品中底面缺陷大小的確定次數(shù)12345To/s測點1/s測點22/s數(shù)據(jù)處理1、聲速ddv=11ttt10Su(d)sAnSu(t)X=A0nu(d)二B3Au(t)=二B03u(d)u2(d),u2(d)cAB(A=0.1Rs)u(t)u2(t),u2(t)c0A0B0Su(t)士A1vnAu(t)二B13(A=0.1Rs)u(t)u2(t),u2(t)c1A1B1E(v)=:嚴(yán)(d幾丄嚴(yán)(t幾丄嚴(yán)(t幾乂一)2,(c1