A-3 固体中纵波和横波速度的测量
【实验目的】
1．了解固体材料中弹性波的性质；
2．了解固体材料的纵波和横波播速度的测量方法。
【实验内容】
1．用多次回波法测量纵波速度；
2．用脉冲重合法测量横波速度。
【实验原理与装置】
一．实验原理
1．脉冲回波法测量固体中纵波速度
d
待测固体样品
图1 纵波在固体中的多次反射
超声探头发射的纵波脉冲进入固体后，以纵波速度在固体中传播，由于声波在固体前后两个表面会发生反射，利用超声探头可以接收到多次反射的信号。假定相邻两次反射信号的时间差为t ，样品的厚度为d ，则可得到固体中纵波声速C L 为：C L =2d / t 。
2．利用纵波探头测量固体中横波速度
由于横波探头的频率通常比较低，若采用横波脉冲回波法测量，测量的误差比较大。在本实验中，将利用纵波沿界面传播时的会产生以临界角传播的横波的性质，采用纵波探头测量横波速度。如图2所示，把纵波探头放在样品的一侧并靠近上表面（L >>d ），入射纵波P 1沿上表面传播时，由于界面的作用产生以临界角θC 传播的横波S 1(假定横波的速度为C S ，则sin θC = C S / C L )，当横波S 1到达下表面时会产生纵波P S1和反射波S 2，…… 这样，通过接收产生的一系列纵波(P 1, P S1, P S2, …)反射后到达探头的时间，就可以计算出横波的速度。
气体
P 1 1
纵波P 1
气体
图2 纵波和横波的转化及在固体中传播 两次纵波(P Sn 与P Sn+1)的时间差 τ = (d /cos θC )/C S - (d tan θC )/C L ，
则横波的速度C S = 2)/(1d C C L L
τ+。(请自行推导C S 的计算公式)
由于需要同时接收上下两个表面产生的声波，实验所使用的纵波换能器的发射面的有效直径略大于样品的厚度d ，测量时把换能器面放在样品端面的中心处。
二．实验装置
1．脉冲发生器
用XC61A 型脉冲发生器产生的电脉冲激励超声换能器产生声波。电脉冲的触发周期、宽度和幅度可以按需要进行调整，使之与超声换能器匹配以产生较强的脉冲声波。
2．示波器
本实验中采用泰克TDS210型数字示波器，可以直接读取信号的电压幅度、相对时间间隔等信息，可以保存多组波形用于比较。
3．超声换能器
实验中采用的超声换能器由压电陶瓷片制成，加有后背衬和前匹配层以产生短的超声脉冲，加上脉冲电压激励可以发射声脉冲。同时又作为接收器使用，接收到的声波后由压电效应产生电信号，可以接到示波器上进行观测和记录。
压电片
匹配层
图4 超声换能器结构示意图
测量时，换能器面和样品之间通常需要加少量水或其他耦合剂进行耦合，以使声波能更好地透射到样品中。
【实验要求与步骤】
1．设备调节
通过看说明书了解和熟悉TDS210型数字示波器，了解用示波器进行时间测量、调整时间测量精度和波形存储的操作方法。
通过调整激励电信号的脉冲宽度使接收信号最强。
2．用多次回波法测量纵波速度：
把探头放在样品最大平面的中心附近（用少量水作耦合），利用示波器测量回波时间。要求用第3个(或以上)回波和第1个回波的时间差（要求时间差值大于10μs）来计算回波时间，可以提高时间的测量精度。
2*．用不同声程回波的时间差法测量纵波速度：
把探头放在样品的不同侧面，利用示波器分别测量各侧面的第一次回波时间。然后根据声波的行程差∆L和回波时间差∆t，来计算纵波速度C L=∆L/∆t。
由于本方法可以排除换能器的匹配层厚度对测量的影响，用此结果与多次回波法的结果进行比较，就可以看出换能器的匹配层厚度对测量是否有影响。
3．用纵波的转换波测量横波速度：
把探头放在样品较窄侧面的中部，测量转换纵波脉冲P S1和P S2或P S3的时间差来计算横波速度。
4．要求：
(1)实验中时间的测量用数字示波器的直接读数，要求测量精度为0.01μs(示波器的时间档调到500ns)。
(2)时间和厚度的数据以多组（5组以上）测量数据进行平均，每次测量时适当改变测量点的位置。
(3)计算纵波和横波的速度及测量误差，应给出计算公式和相应的测量数据。
【思考题】
1．换能器的匹配层厚度对测量是否有影响？
2．为什么不能用第一次纵波回波P1和转换纵波脉冲P S1、P S2或P S3的时间差来计算横波速度。
