无厚度限制的超声速度测量方法

大多数超声速度计的测量方法都基于下列形式的方程式：

c=x/t （10-12）

式中 c——声速，单位为m/s；

x——超声行程长度，透射传播时x为厚度，脉冲回波时x为两倍厚度，单位为m；

t——传播时间，单位为s。

1.临界角反射率法

这种方法基于Snell法则。它涉及对几个临界角中一个临界角的测量，波型依赖于临界角。待测量的声速表示为c₂，Snell法则以在声速c₁已知的邻界介质（通常为水）中初始入射角θ_1c的形式给出c₂，计算公式如下：

c₂=c₁/sinθ_1c

测量装置如图10-5所示，用钛酸钡晶体做换能器，入射脉冲的重复频率为2.5MHz；两个换能器的转动同步进行，与示波器最大振幅对应的入射角即为全反射临界角θ_1c。

图10-5 浸入式波速检测装置

1—脉冲发生器 2—发射换能器 3—试样 4—接收换能器 5—放大器 6—示波器 I—非全反射时折射的纵波 S—切变波 θ₁—入射角

图10-6 双探头二次测量法

2.二次测量法

采用通用数字式超声波无损检测仪，选取一对规格、前沿、折射角等参数相同的斜探头在标准试块上测量延时后，将两个探头延时平均值输入数字式超声波无损检测仪，双探头以一发一收的方式相对置于试样表面，如图10-6所示。

得到底面一次反射回波后读取超声波在试样中传播的准确时间t，试样中的超声横波速度计算如下：

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式中 c——试样中的横波声速，单位为mm/s；

l₁——探头间的距离，单位为mm；

l₁₀——探头1的前沿长度，单位为mm；

l₂₀——探头2的前沿长度，单位为mm；

t₁——超声横波在试样中传播的时间，单位为s；

h——试样厚度，单位为mm。

再选取一对规格、前沿、折射角等参数相同（与上一对探头折射角相差较大）的斜探头重复上述测量，得到底面一次反射回波后读取超声波在试样中传播的准确时间，则试样中的超声横波速度计算如下：

式中 c——试样中的横波声速，单位为mm/s；

l₂——探头间的距离，单位为mm；

l₃₀——探头3的前沿长度，单位为mm；

l₄₀——探头4的前沿长度，单位为mm；

t₂——超声横波在试样中传播的时间，单位为s；

h——试样厚度，单位为mm。

取两次测量的平均值即可得出c。

采用该方法可以较为准确地测量材料横波声速，但二次测量时需要两对折射角有较大差异的探头，推荐分别采用折射角为45°、63°的探头。采用更大角度探头时，会产生试样底面回波游动范围较大而难以准确读取底面最高回波位置的现象，需多次测量后取回波位置平均值。测量时每对探头需具有相同折射角，并使声速保持在同一轴线上，否则会导致测得的横波声速值偏小。