超声波的速度特性及应用

时代仪器小编在这里主要为大家阐述了超声波的速度特性及应用，希望能够对大家有所帮助。同一波型的超声波在不同材料中有不同的传播速度，而在同一材料中，不同波型的超声波也有不同的传播速度。当材料的成分、显微组织、密度、内含物比例、浓度、聚合物转化率、强度、温度、湿度、压强(应力)、流速等等存在差异或发生变化时，其声速也将出现差异。

利用专门的声速测定仪或利用普通的超声脉冲反射型探伤仪或测厚仪，将未知声速的材料与已知声速的标准试样比较，从而可以测出材料的声速或者声速变化，可以应用于：

(1)材料物理常数的测定，如：
根据物理学中的关系式，一般有：声速C=(E/ρ)1/2，式中的ρ为材料密度，E为材料的弹性模量。由于声速受材质的各向异性、形状及界面的影响，并且根据超声波的振动形式不同而要分别采用各自的弹性模量，因此：

在气体和液体中的纵波速度(气体和液体中只能存在纵波)有：CL=(K/ρ0)1/2，式中的K为材料的容变弹性模量(体积弹性模量)，ρ0为无声波存在时介质的原静止密度。

在固体中：

直径小于超声波波长的细棒中轴向传播的超声纵波速度有：Cl=(E/ρ)1/2，式中的E为材料的杨氏弹性模量，ρ为材料密度；

直径大于超声波波长的粗棒中轴向传播的超声纵波速度有：CL={[K+(4/3)G]/ρ}1/2={[E(1-σ)]/ρ(1+σ)(1-2σ)}1/2；

式中的K为材料的容变弹性模量(体积弹性模量)，G为材料的切变弹性模量，σ为材料的泊松比(材料在力的方向上出现纵向应变的同时，在垂直方向上也会产生横向应变，它们之间的比率称为泊松比，这是材料的物理特性之一)。

横波声速有：Cs=(G/ρ)1/2={E/[ρ·2(1+σ)]}1/2；

瑞利波声速有：CR=[(0.87+1.12σ)/(1+σ)]·(G/ρ)1/2；

它们之间的相互关系有：

Cl/CL=[(1+σ)(1-2σ)/(1-σ)]1/2;Cs/CL={(1-2σ)/[2(1-σ)]}1/2;CR/Cs=(0.87+1.12σ)/(1+σ)；

E=Cl2·ρ·[(1+σ)(1-2σ)/(1-σ)];G=Cs2·ρ;E=2G(1+σ)...等等

利用这些关系式，在测定了声速并已知另一参数时，即可计算得到其他的参数。

(2)测量温度：介质中的声速与介质的温度相关，利用这一特性可以用于非接触测量介质温度，还可进一步用于指示介质的熔点、沸点以及相变，测量介质的比热、熔解热、反应热和燃烧热，测量介质的纯度和分子量等等。

(3)测量流量：超声波在流动介质中传播时(例如气体、液体或含有一定比例固体颗粒的流体传送管道，或者水渠等)，相对于固定坐标系统，其传播速度与静态条件下的速度不同而与介质的流速有关，因而可以根据声速的变化确定流速并进一步确定流量(流通着的流体横截面积x流速)。

(4)测量液体的粘度η：根据切变声阻抗Z与(η·ρ)1/2(η为液体的粘度，ρ为液体的密度)存在正比关系，而声阻抗Z=ρ·C，因此通过测量声速并确定了液体的密度后，即可确定液体的密度。

(5)应力测量：超声波在材料中的传播速度随外加应力有近似线性的变化(称为超声应力效应)，因此可以利用来测量混凝土预应力构件的强度、金属的强度和残余应力、紧固件(例如紧固螺栓)上的拉伸应力等等。

(6)硬度测量：利用瑞利波在金属表面淬硬层中的速度变化特性，可以确定金属表面的硬度或者硬化层的深度。

(7)测定金属表面裂纹的深度：利用瑞利波沿金属表面直接传递和存在表面裂纹时瑞利波绕过裂纹传递的时间之间存在的差异，根据瑞利波的传播速度，可以计算得出裂纹的深度。这种方法称作时间延迟法或渡越时间法、△t法。

(8)测量厚度：根据超声波传播距离X与声速C、传递时间t的关系：X=C·t，例如在采用超声脉冲反射法测厚时，就有：工件厚度d=C·t/2，这里使用分母2的原因是超声探头发射超声脉冲至工件底面并反射返回探头被接收，因此其声路经过了两倍的工件厚度。

利用超声波的速度特性，还可应用于例如球墨铸铁的强度及石墨球化度的测量、确定陶瓷土坯的湿度以确定进窑焙烧的时机、气体介质的特性分析(例如工业用氧气及氮气的纯度、动物呼吸的新陈代谢速率、气体中某一组分的含量变化等)，以及测量石油馏分的密度、氯丁橡胶乳、表面裂纹深度液的密度等等。总之，超声速度特性的应用，特别是在工业测量技术中的应用是很多的。

阅读本文的用户还对以下文章感兴趣：
超声波波型都有哪些
超声波内吸衰减特性
超声波无损检测技术特点及概述