CN106124630A - 利用超声波测固体材料泊松比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用超声波测固体材料泊松比的方法，包括超声测量仪主机、数字示波器、有机玻璃水箱、带角度刻度及旋钮水箱顶板、固体材料板、两个超声探头，将带角度刻度盘与旋钮水箱顶板连接在一体的方式，通过旋转组件方向来精确控制声波与被测材料平面所成角度，通过记录纵波和横波发生全反射时的入射角大小，进而计算被测材料泊松比。固体材料板要与带角度刻度的旋钮水箱顶板相连接，超声波在固体材料板表面发生全反射。本发明实验内容丰富，使用面广，不仅可以通过设计实验测量不同材料的泊松比等重要的物理量，还可用于测量介质中的声速和杨氏模量等物理量，可作为高等院校物理实验教学仪器。

Description

利用超声波测固体材料泊松比的方法

技术领域

本发明涉及一种利用超声波测固体材料泊松比的方法，属于固体属性的探测领域，也可适用于高等院校物理实验教学领域。

背景技术

超声波是指频率在2×10⁴Hz～2×10¹²Hz的声波，可以在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。其在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域中发挥着独特的作用。所以对超声波的研究就具有重要意义。

泊松比是一个非常重要的材料力学参数。目前泊松比的测试方法分为接触式和非接触式两类。前者主要有机械法与电测法，机械方法中引伸计的自重和夹持力较大会引起软质试样的附加变形，因此只适用于硬质试件。电测法在试件上粘贴云纹片或电阻片给试件附加了粘贴片刚度，测量误差大，而且测量范围有限，一次性使用，成本高。后者则包括利用声音传播特性的声学方法和全息干涉法或云纹干涉法等的光学方法。

授权公告号为CN101672750B的专利提出一种测量薄膜材料的泊松比方法，待检测的薄膜材料周边夹紧，使其形成半径为a的周边夹紧的圆薄膜，并在圆薄膜上施加均布载荷q，利用圆薄膜上任意两点的挠度值之比，便可以精确地计算出薄膜的泊松比。授权公告号为CN101655434B的专利涉及一种线性粘弹材料泊松比的测试方法。该方法根据剪切蠕变柔量与拉伸蠕变柔量的换算关系，确定线性粘弹材料泊松比。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种利用超声波测固体材料泊松比的方法，原理是利用超声波在介质表面的全反射与固体材料泊松比的关系进行测量。

本发明的目的是这样实现的：包括超声测量仪主机、数字示波器、有机玻璃水箱、带角度刻度及旋钮的水箱顶板、固体材料板、两个超声探头，两个超声探头对称设置在有机玻璃水箱的两端，带角度刻度及旋钮的水箱顶板设置在有机玻璃水箱上端，固体材料板与水下顶板上端旋钮连接，包括如下步骤：

(1)将两个超声探头分别连接到超声测量仪主机上的超声探头T-R1接口和R2接口，调整水箱顶板上的旋钮使固体材料板的表面与发射声波垂直；

(2)将数字示波器的CH1通道连接到超声测量仪主机上的示波器接口T上，观察发射波形，将数字示波器的CH2通道连接到超声测量仪主机上的示波器接口R2上，观察透射波形；

(3)当超声波以倾斜角度α入射到两种介质的交界表面上，根据折射定律和波形变换，将会产生一个折射纵波和一个折射横波，通过调整水箱顶板上的旋钮实现固体材料板的旋转，改变声波对固体材料板的入射角α至观察到纵波和横波的全反射现象，记录纵波和横波发生全反射时对应的入射角α_L和α_T，；

(4)将超声波纵波和横波发生全反射时的入射角度α_L和α_T分别带入公式和得出纵波声速V_L和横波声速V_T，式中：V是超声波在波速较慢介质中的传播速度；

(5)则固体材料泊松比μ是：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用超声波测量技术，根据压电效应和逆压电效应，设计出可以测量固体材料泊松的装置，测量中不需要与材料直接接触对其施加应力，而且测量精度高，操作简单方便，可随意更换被测材料。本发明应用于高等院校的物理实验教学，可以使学生充分掌握超声波的应用以及压电效应和逆压电效应。可以作为医学用超声诊断实验仪，也可以作为工业用超声探伤实验仪。也即本发明提供了一种有效的测量材料泊松比的方法，测量中不需要与材料直接接触对其施加应力，利用超声波的在介质中的传播规律测量，测量精度高，操作简单方便，可随意更换被测材料。本发明实验内容丰富，使用面广，不仅可以通过设计实验测量不同材料的泊松比等重要的物理量，还可用于测量介质中的声速和杨氏模量等物理量，可作为高等院校物理实验教学仪器。

附图说明

图1是压电效应原理图；

图2是逆压电效应原理图；

图3是超声波的反射、折射和波形变换；

图4是纵波和横波传播角度关系图；

图5是超声波横波和纵波同时存在数字示波器信号接收图；

图6(a)是纵波发生全反射时数字示波器信号接收图，图6(b)是横波发生全反射时数字示波器信号接收图；

图7是本发明的结构框图。

图中：1-超声测量仪主机、2-数字示波器、3-有机玻璃水箱、4-水箱顶板、5-旋钮、6-固体材料板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明利用逆压电效应产生超声波，利用压电效应接收超声波。某些固体物质，在压力(或拉力)的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。图1为压电效应原理图，图中依次为未施加压力时，拉伸外力和压缩外力时的晶体。通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效应，即当对其施加电压后会发生形变。用于产生和接收超声波的材料一般被制成片状(晶片)，并在其正反两面镀上导电层(如镀银层)作为正负电极。图2为逆压电效应原理图，图中依次为未施加电场时，外加电场和外加反向电场时的晶体图。如果在电极两端施加一脉冲电压，则晶片发生弹性形变，随后发生自由振动，形成驻波。适当选择晶片的厚度，使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内，则该晶片即可产生超声波。

测量固体材料的泊松比。当超声波以倾斜角度α入射到两种介质的交界表面上，根据折射定律和波形变换，将会产生一个折射纵波和一个折射横波(如图3所示)。超声波在波速较慢介质中的传播速度V，入射角度α，折射纵波的波速V_L，纵波的折射角度β_L，折射横波的波速V_T，横波的折射角度β_T，如图4所示装置传播路径角度关系图，由斯涅尔定律，其关系为：

$\frac{V}{sin\mathrm{\α}}=\frac{V_L}{{\mathrm{sin\β}}_L}=\frac{V_T}{{\mathrm{sin\β}}_T}$

本发明中超声波是从波速较慢的水中进入波速较快的固体介质，通过改变入射角度α可以观察到全反射现象。因为固体中纵波波速大于横波波速，所以纵波发生全反射时所对应的入射角度α比横波发生全反射时的入射角α小，通过调整入射角度α的值可以分别观察纵波和横波的全反射现象，并可以根据上述公式分别计算出纵波声速V_L和横波声速V_L：

$V_L=\frac{V}{{\mathrm{sin\α}}_L}$

$V_T=\frac{V}{{\mathrm{sin\α}}_T}$

式中α_L为纵波发生全反射时对应的入射角度，α_T为横波发生全反射时对应的入射角度。纵波和横波发生全反射时的信号如图6(a)和图6(b)所示。

本发明中固体介质的泊松比μ与固体中纵波声速V_L和横波声速V_T之间的关系为：

$\mathrm{\μ}=\frac{\frac{1}{2}\·{\left(\frac{V_L}{V_T}\right)}^2-1}{{\left(\frac{V_L}{V_T}\right)}^2-1}$

测量过程中只需要调整超声波的入射角度α使折射纵波和折射横波分别发生全反射，再分别计算出纵波声速V_L和横波声速V_T，然后再根据公式计算出固体介质的泊松比μ。

超声水槽法测固体材料泊松比测量方法实现的具体过程为：利用逆压电效应产生超声波，超声波进入水槽，在水槽中放置不同的固体材料，当超声波以一定倾斜角度入射到固体材料表面，根据折射定律和波形变换，将会产生一个折射纵波和一个折射横波。改变入射角度，折射横波和折射纵波分别会发生全反射现象，由示波器接收射出水槽的超声波，根据固体材料泊松比与超声波声速的关系计算出泊松比。

本发明的装置具体包括：超声测量仪主机1、数字示波器2、有机玻璃水箱3、带角度刻度及旋钮5的水箱顶板4、固体材料板6、两个超声探头及示波器接线两根组成。如图7为超声水槽法测量固体材料泊松比装置框图。超声测量仪是一种无损伤的集超声脉冲反射式和透射式于一体的仪器。探测时使用双探头，一个探头用来发射超声，而另一个探头用来接收超声，也即两个超声探头利用逆压电效应产生超声波，利用压电效应接收超声波。有机玻璃水箱为超声波的传输介质，将带角度刻度及旋钮水箱顶板分别配有固体材料板，在固体材料板表面发生全反射，通过角度刻度读发生全反射时的入射角。

具体过程为：

(1)将两个超声探头分别连接到测量仪面板上的超声探头T-R1接口和R2接口。将可旋转角度的固体材料板置于水槽中，使固体材料板表面与发射声波垂直。

(2)将示波器CH1通道连接到测量仪面板上的示波器接口T上，观察发射波形，将示波器CH2通道连接到测量仪面板上的示波器接口R2上，观察透射波形。

(3)通过旋转固体材料板改变声波对铝金属板面的入射角，观察波形变换产生的纵波和横波，并观察纵波和横波的全反射现象，记录纵波和横波发生全反射时对应的入射角。

(4)将超声波纵波和横波发生全反射时的入射角度分别带入相应的计算公式，计算出纵波声速和横波声速。

(5)将纵波声速和横波声速带入计算公式可计算出固体材料泊松比。

Claims (1)

1.利用超声波测固体材料泊松比的方法，其特征在于：包括超声测量仪主机、数字示波器、有机玻璃水箱、带角度刻度及旋钮的水箱顶板、固体材料板、两个超声探头，两个超声探头对称设置在有机玻璃水箱的两端，带角度刻度及旋钮的水箱顶板设置在有机玻璃水箱上端，固体材料板与水下顶板上端旋钮连接，包括如下步骤：

(1)将两个超声探头分别连接到超声测量仪主机上的超声探头T-R1接口和R2接口，调整水箱顶板上的旋钮使固体材料板的表面与发射声波垂直；

(2)将数字示波器的CH1通道连接到超声测量仪主机上的示波器接口T上，观察发射波形，将数字示波器的CH2通道连接到超声测量仪主机上的示波器接口R2上，观察透射波形；

(3)当超声波以倾斜角度α入射到两种介质的交界表面上，根据折射定律和波形变换，将会产生一个折射纵波和一个折射横波，通过调整水箱顶板上的旋钮实现固体材料板的旋转，改变声波对固体材料板的入射角α至观察到纵波和横波的全反射现象，记录纵波和横波发生全反射时对应的入射角α_L和α_T，；

(4)将超声波纵波和横波发生全反射时的入射角度α_L和α_T分别带入公式和得出纵波声速V_L和横波声速V_T，式中：V是超声波在波速较慢介质中的传播速度；

(5)则固体材料泊松比μ是：