超声透射法测声速

超声透射法测量声速是通过分析超声波在材料中传播的时间与距离关系来确定波速的方法，其核心公式为：

$$v=\frac{L}{\Delta t}$$

其中：

• $v$ 为声速（m/s）；

• $L$ 为超声波传播路径长度（即试件厚度，单位：m）；

• $\Delta t$ 为超声波从发射到接收的传播时间（声时，单位：s）。

实验步骤与原理

1. 设备准备

• 超声仪器：脉冲发生器、发射探头、接收探头、示波器或数据采集系统。

• 试件：已知厚度（$L$）的均质材料（如金属、混凝土、塑料等）。

• 耦合剂：确保探头与试件表面紧密接触（如水、油脂、凝胶）。

2. 信号采集

• 发射探头产生超声波（通常为纵波），穿透试件后被接收探头检测。

• 示波器记录波形图，标记发射脉冲（$t_0$）和直达波到达时间（$t_1$）。

• 声时计算：$\Delta t=t_1-t_0$。

3. 声速计算

• 直接代入公式 $v=L/\Delta t$。

• 若试件厚度未知，可通过改变路径长度（如旋转探头或使用阶梯试件）进行多次测量拟合斜率求声速。

关键影响因素与修正

1. 系统延迟误差

• 零距校准：测量无试件时探头直接对接的声时 $t_{\text{delay}}$，实际声时 $\Delta t=t_1-t_0-t_{\text{delay}}$。

• 对比法：使用已知声速的标准试件校准系统。

• 仪器电路、探头延迟会导致 $\Delta t$ 偏大。

• 修正方法：

2. 试件边界效应

• 侧壁反射波可能干扰直达波信号。

• 解决方法：缩短脉冲宽度、使用吸声材料包裹试件。

3. 温度影响

• 声速随温度变化（如混凝土中温度每升1℃，声速增加约0.6 m/s）。

• 控制条件：记录环境温度，必要时修正公式（如 $v_T=v_0+k(T-T_0)$）。

典型波形图分析

振幅
↑
|       ▲发射脉冲（t₀）
|      / \
|     /   \       
|    /     \______▲直达波（t₁）
|   /             
| /               
+------------------→ 时间

• 声时读取：直达波第一个上升沿对应的时间 $t_1$。

• 异常情况：若波形出现多个峰值，可能为试件分层或缺陷反射（需排除干扰）。

应用示例

1. 混凝土质量检测

• 声速范围：4000–5000 m/s（优质混凝土），低于3500 m/s可能提示孔隙或裂缝。

• 通过声速反推强度：$f_c=k\cdot v^n$（$k,n$ 为经验系数）。

2. 金属材料评估

• 铝的纵波声速约6300 m/s，钢约5900 m/s，声速异常可能反映热处理缺陷。

注意事项

• 频率选择：高频（1–10 MHz）用于薄试件，低频（50–500 kHz）用于厚或高衰减材料。

• 耦合一致性：不同耦合剂（如水vs.油脂）会导致声时差异，需固定耦合方式。

• 多次测量：减少随机误差，取3–5次测量平均值。

通过精确控制实验条件并分析波形数据，超声透射法可快速、无损地测定材料声速，为工程质量和科研提供关键参数。