超声波在材料内部传播的声速测量方法介绍

超声波在材料内部传播的声速测量方法介绍

声速是衡量材料声学性质的重要参数，在无损检测和材料科学领域具有广泛的应用。本文将介绍几种常用的超声波声速测量方法，包括超声检测仪器测量法、测厚仪测量法和示波器测量法，帮助读者更好地理解和掌握这一技术。

超声检测仪器测量法

对于检测人员来说，使用检测仪器测量声速是最简便的方法。这种方法既可用于测量纵波声速，也可用于测量横波声速。

检测仪按时间刻度

对于按时间刻度或带时标的检测仪，测量声速的方法如下：

将探头对准大平底，调节仪器使始波与底波分别对准不同刻度，测出工件厚度，声速按下式计算：

• 反射法：$c = 2d/t$
• 穿透法：$c = d/t$

式中 $d$ 为工件厚度，$t$ 为始波与底波之间的时间差，$c$ 为待测工件中的声速。

检测仪按深度刻度

对于按深度刻度的检测仪，不能直接从示波屏上读出时间，需采用比较法测量声速。

测试时，先把探头对准待测工件的底面，调节仪器使底面回波对准某一刻度 $\tau$，此时超声波通过工件的时间为 $t = 2d/c_1$。

然后将探头放在水中，调节探头位置使水层底面回波对准同一水平刻度 $\tau$，如上图，这时超声波通过水层的时间为 $t = 2b/c_2$。

由于二者水平刻度相同，即时间相同，所以有 $c_1/c_2 = d/b$ 即 $c_1 = c_2 \cdot d/b$

式中 $c_2$ 为水中声速，$c_2 = 1480m/s$，$d$ 为工件厚度，$b$ 为水层厚度，$c_1$ 为待测工件中的声速。

上述测定纵波声速的方法同样适用于横波声速的测量。测横波声速不同的是：先换上横波探头，并用标准试块校准“0”点，然后使探头对准待测工件上的横孔，调节仪器使横孔回波对准某一水平刻度，如上图所示，在换上直探头，调节探头在水中的位置，使水层底波对准水平刻度，这时横波声速为：$c_s = c_2 \cdot d/b$

上述方法测量声速，精度不高，影响误差的主要原因是：直探头前面有一层保护膜，声波在里面传播有一段时间，另外 $d$、$b$ 的测量存在误差。还有工件底波和水层底波前沿不一定完全重合。

测厚仪测量法

共振式测厚仪

根据驻波理论，当工件厚度为 $\lambda$ 的整数倍时，入射波与反射波在工件内形成驻波产生共振，声速计算公式为 $c = 2f_n \cdot d/n$，其中 $d$ 是工件厚度，$f_n$ 是共振频率，$n$ 是共振次数。

脉冲反射式测厚仪（超声波测厚仪）

用其测量声速的原理和方法与超声检测仪测量声速的方法相同。

示波器测量法

将按时间刻度的检测仪与示波器连接，从示波器荧光屏上直接读取始脉冲与底波之间的时间差，从而计算出声速 $c = 2d/t$。式中 $d$ 为工件厚度，$t$ 为始波与底波之间的时间差，$c$ 为待测工件中的声速。

1 - 检测仪、2 - 示波器、3 - 探头、4 - 被测材料