固体声速温变特性实验室探究

陈佳琪，李文政，张亚萍，靳亚康

（中国石油大学（华东），山东 青岛 266580）

超声检测技术（UT）是五大常规无损检测技术中使用得最多的一种。与其它常规无损检测技术相比，它具有检测对象范围广，检测深度大；缺陷定位准确，灵敏度高；成本低，使用方便；速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点[1]。因此，UT是国内外应用最广泛且发展较快的一种无损检技术。而在众多超声检测技术中，超声纵波在介质中的传播速度能反映介质部分物理力学性质，研究不同温度下混凝土、钢筋等固体中波速和振幅信息，可以得到固体弹性模量、泊松比及密度等物理指标信息，是一种重要的无损测量手段[2]。

由于普通实验室声学换能器的性能会随温度改变，文章着重在温度变化的情况下设计了一套实验装置，利用热电偶来实现固体材料温度的测量，在注意了各种实验操作细节的基础上，对固体中纵波声速随温度的变化规律进行了探究，操作过程简单易行，立足于实验室的需求，适合于在实验室推广使用。

1 实验原理

1.1 固体声速测量

在固体弹性介质中，声波在固体中传播的速度v与传播的时间t之间存在下列关系[3－5]：

测出时差t和纵波换能器之间的距离L即可得到声速。

1.2 热电偶测温

根据热电偶分度表[6]，实验采用铜 －康铜热电偶线性测温范围为 44～130℃。故在线性测温范围内，温差电动势ET与温差ΔT之间呈线性关系如式（3）[7]，其中α为温差系数，实验中可通过定标确定，用精度为0.01mV的数字电压表显示ET。

2 实验装置设计及测量

2.1 固体声速的温变特性

实验装置如图1所示，可分为3部分：

图1 声速温变特性测量实验装置

（1）样品加热区：样品4为一个金属长方体，热源1可直接将热量通过样品上表面传入样品。当样品温度与外部空气温度相差较大时，散热较快，升温较慢，也不利于温度的测量，实验在样品加热区设置一个保温装置，即在待测样品除上表面外都设置导热系数极小的隔热层2，以达到迅速提高温度及维持测量过程中温度恒定的目的。

（2）温度测量区：实验时将热电偶的冷端浸入盛有冰、水混合物的杜瓦瓶7中，将其热端插入待测样品4中。可以通过读取数字电压显示器6显示温差电动势数值ET，以实现固体内部温度的测量。

（3）声速测量区：在换能器3和样品4之间加入一层隔热层，在换能器与隔热层接触面、隔热层与样品接触面之间都涂抹传声性和耐温性较好的高温耦合剂，并使用固定装置使固体材料与发射器和接收器的端面紧密接触并且对准，再读取综合测量仪5显示时差。

2.2 温度对探头性能的影响

（1）取走试样5，将两个隔热层和收发换能器直接耦合，对其进行升温处理，记录时差Δt和对应温差电动势ET；（2）去掉隔热层，冷却换能器重复实验。测的有无隔热层数据如表1所示，实验结果表明，在所测量的温度范围内，加入隔热层时温度变化基本不会影响综合测量仪的反应时间；而不加隔热层时仪器反应时间波动很大。故加入隔热层可大大减小换能器本身对声速测量的影响。

表1 温度变化对探头反应时间测定的影响

2.3 热电偶定标

将热电偶热端置入可变温水中，将冷端置入冰水混合物的杜瓦瓶中，利用温度计测量出热端温度，当冷端温度一定时，一定的热端温度 对应一定的温差电动势ET。根据式（3）可得温差系数K＝27.551℃／mV。

3 实验结果与分析

按照图1装置，记录热电偶温差电动势ET和材料中声波传播时间Δt，把ET代入式（4）确定材料温度T，再把Δt代入式（2）得出相应温度下纵波声速v，由此得出A3钢超声纵波声速温变特性曲线，见图2。

图2 A3钢温度－声速关系曲线

可见，在30～100℃范围中，待测固体材料中声速随温度的升高逐渐减小，实验中所用待测固体材料样品在常温下的声速值和该材料查表所得的声速值5 000m／s相近，能较好地反映实际情况。根据数据分析，本实验装置精度可在7.65m·s1·℃-1左右。

4 结 论

（1）本文综合了两项热学和一项声学课内实验相关知识，充分利用普通物理实验中现有的实验仪器，搭建了一套可以测量不同温度下固体材料纵波声速的实验装置，操作过程简单易行，有助于学生丰富和综合实验知识，适合于在实验室推广使用。

（2）实验避免了示波器读数的误差，采用与换能器配套的计时器，并且借助热电偶实现固体材料温度的实时测量，具有精确度高、反应灵敏以及测量变量单一且稳定等特点。

（3）研究了温度对探头性能的影响，得出了加入隔热层可以大大减小温度对换能器的影响。但隔热层有可能影响探头声波的发射和接收效果，隔热材料的选择应该在考虑隔热效果的同时保持较好的传声效果。

（4）在本实验的基础上，若需要实现更高温度的测量，选择线性范围更广的热电偶并重新定标，选用能耐更高温度的耦合剂和探头即可。

[1]罗雄彪，陈铁群.超声无损检测的发展趋势[J].无损检测，2005，17（3）：148－152.

[2]姜传海，吴建生，王德尊.挤压态SiCW／Al复合材料弹性模量的超声波研究[J].无损检测，2002，24（3）：96－99.

[3]沈飞，刘雪芳.声速测量实验[J].物理实验，2012，32（10）：17－19.

[4]李书光，张亚萍，朱海丰.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2012：313－321.

[5]黄贤群.基于最小二乘法的声速测定实验数据处理分析[J].大学物理实验，2012（2）：75－77.

[6]全国工业过程测量和控制标准化技术委员会GB／T 16839.1—1997标准热电偶分度表[S].

[7]李书光，张亚萍，朱海丰.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2012：85－86.