固体中纵波和横波速度的测量.doc

A-3 固体中纵波和横波速度的测量
【实验目的】
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【实验内容】
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【实验原理与装置】


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CL为:CL=2d / t。

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P1沿上表面传播时,由于界面的作用产生以临界角qC传播的横波S1(假定横波的速度为CS,则sinqC= CS/ CL),当横波S1到达下表面时会产生纵波PS1和反射波S2,……这样,通过接收产生的一系列纵波(P1, PS1, PS2, …)反射后到达探头的时间,就可以计算出横波的速度。
图2 纵波和横波的转化及在固体中传播
两次纵波(PSn与PSn+1)的时间差 t = (d/cosqC)/CS - (d tanqC)/CL ,
则横波的速度CS = 。(请自行推导CS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。


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。

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。

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。
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】

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。
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把探头放在样品最大平面的中心附近(用少量水作耦合),