陳佳琪，李文政，張亞萍，靳亞康

（中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

超聲檢測技術(shù)（UT）是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)中使用得最多的一種。與其它常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，它具有檢測對象范圍廣，檢測深度大；缺陷定位準(zhǔn)確，靈敏度高；成本低，使用方便；速度快，對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點(diǎn)[1]。因此，UT是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛且發(fā)展較快的一種無損檢技術(shù)。而在眾多超聲檢測技術(shù)中，超聲縱波在介質(zhì)中的傳播速度能反映介質(zhì)部分物理力學(xué)性質(zhì)，研究不同溫度下混凝土、鋼筋等固體中波速和振幅信息，可以得到固體彈性模量、泊松比及密度等物理指標(biāo)信息，是一種重要的無損測量手段[2]。

由于普通實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)換能器的性能會隨溫度改變，文章著重在溫度變化的情況下設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，利用熱電偶來實(shí)現(xiàn)固體材料溫度的測量，在注意了各種實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，對固體中縱波聲速隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了探究，操作過程簡單易行，立足于實(shí)驗(yàn)室的需求，適合于在實(shí)驗(yàn)室推廣使用。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 固體聲速測量

在固體彈性介質(zhì)中，聲波在固體中傳播的速度v與傳播的時間t之間存在下列關(guān)系[3－5]：

測出時差t和縱波換能器之間的距離L即可得到聲速。

1.2 熱電偶測溫

根據(jù)熱電偶分度表[6]，實(shí)驗(yàn)采用銅 －康銅熱電偶線性測溫范圍為 44～130℃。故在線性測溫范圍內(nèi)，溫差電動勢ET與溫差ΔT之間呈線性關(guān)系如式（3）[7]，其中α為溫差系數(shù)，實(shí)驗(yàn)中可通過定標(biāo)確定，用精度為0.01mV的數(shù)字電壓表顯示ET。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及測量

2.1 固體聲速的溫變特性

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，可分為3部分：

圖1 聲速溫變特性測量實(shí)驗(yàn)裝置

（1）樣品加熱區(qū)：樣品4為一個金屬長方體，熱源1可直接將熱量通過樣品上表面?zhèn)魅霕悠?。?dāng)樣品溫度與外部空氣溫度相差較大時，散熱較快，升溫較慢，也不利于溫度的測量，實(shí)驗(yàn)在樣品加熱區(qū)設(shè)置一個保溫裝置，即在待測樣品除上表面外都設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)極小的隔熱層2，以達(dá)到迅速提高溫度及維持測量過程中溫度恒定的目的。

（2）溫度測量區(qū)：實(shí)驗(yàn)時將熱電偶的冷端浸入盛有冰、水混合物的杜瓦瓶7中，將其熱端插入待測樣品4中?？梢酝ㄟ^讀取數(shù)字電壓顯示器6顯示溫差電動勢數(shù)值ET，以實(shí)現(xiàn)固體內(nèi)部溫度的測量。

（3）聲速測量區(qū)：在換能器3和樣品4之間加入一層隔熱層，在換能器與隔熱層接觸面、隔熱層與樣品接觸面之間都涂抹傳聲性和耐溫性較好的高溫耦合劑，并使用固定裝置使固體材料與發(fā)射器和接收器的端面緊密接觸并且對準(zhǔn)，再讀取綜合測量儀5顯示時差。

2.2 溫度對探頭性能的影響

（1）取走試樣5，將兩個隔熱層和收發(fā)換能器直接耦合，對其進(jìn)行升溫處理，記錄時差Δt和對應(yīng)溫差電動勢ET；（2）去掉隔熱層，冷卻換能器重復(fù)實(shí)驗(yàn)。測的有無隔熱層數(shù)據(jù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所測量的溫度范圍內(nèi)，加入隔熱層時溫度變化基本不會影響綜合測量儀的反應(yīng)時間；而不加隔熱層時儀器反應(yīng)時間波動很大。故加入隔熱層可大大減小換能器本身對聲速測量的影響。

表1 溫度變化對探頭反應(yīng)時間測定的影響

2.3 熱電偶定標(biāo)

將熱電偶熱端置入可變溫水中，將冷端置入冰水混合物的杜瓦瓶中，利用溫度計(jì)測量出熱端溫度，當(dāng)冷端溫度一定時，一定的熱端溫度 對應(yīng)一定的溫差電動勢ET。根據(jù)式（3）可得溫差系數(shù)K＝27.551℃／mV。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照圖1裝置，記錄熱電偶溫差電動勢ET和材料中聲波傳播時間Δt，把ET代入式（4）確定材料溫度T，再把Δt代入式（2）得出相應(yīng)溫度下縱波聲速v，由此得出A3鋼超聲縱波聲速溫變特性曲線，見圖2。

圖2 A3鋼溫度－聲速關(guān)系曲線

可見，在30～100℃范圍中，待測固體材料中聲速隨溫度的升高逐漸減小，實(shí)驗(yàn)中所用待測固體材料樣品在常溫下的聲速值和該材料查表所得的聲速值5 000m／s相近，能較好地反映實(shí)際情況。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，本實(shí)驗(yàn)裝置精度可在7.65m·s1·℃-1左右。

4 結(jié) 論

（1）本文綜合了兩項(xiàng)熱學(xué)和一項(xiàng)聲學(xué)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識，充分利用普通物理實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器，搭建了一套可以測量不同溫度下固體材料縱波聲速的實(shí)驗(yàn)裝置，操作過程簡單易行，有助于學(xué)生豐富和綜合實(shí)驗(yàn)知識，適合于在實(shí)驗(yàn)室推廣使用。

（2）實(shí)驗(yàn)避免了示波器讀數(shù)的誤差，采用與換能器配套的計(jì)時器，并且借助熱電偶實(shí)現(xiàn)固體材料溫度的實(shí)時測量，具有精確度高、反應(yīng)靈敏以及測量變量單一且穩(wěn)定等特點(diǎn)。

（3）研究了溫度對探頭性能的影響，得出了加入隔熱層可以大大減小溫度對換能器的影響。但隔熱層有可能影響探頭聲波的發(fā)射和接收效果，隔熱材料的選擇應(yīng)該在考慮隔熱效果的同時保持較好的傳聲效果。

（4）在本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，若需要實(shí)現(xiàn)更高溫度的測量，選擇線性范圍更廣的熱電偶并重新定標(biāo)，選用能耐更高溫度的耦合劑和探頭即可。

[1]羅雄彪，陳鐵群.超聲無損檢測的發(fā)展趨勢[J].無損檢測，2005，17（3）：148－152.

[2]姜傳海，吳建生，王德尊.擠壓態(tài)SiCW／Al復(fù)合材料彈性模量的超聲波研究[J].無損檢測，2002，24（3）：96－99.

[3]沈飛，劉雪芳.聲速測量實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（10）：17－19.

[4]李書光，張亞萍，朱海豐.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2012：313－321.

[5]黃賢群.基于最小二乘法的聲速測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（2）：75－77.

[6]全國工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會GB／T 16839.1—1997標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表[S].

[7]李書光，張亞萍，朱海豐.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2012：85－86.