2024年5月12日发(作者：令元旋)
超声波在固体中传播速度的测量
在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、
表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结
晶体，沿任何方向可有三种波传播。
【实验目的】
1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。
2、学会用逐差法处理实验数据。
3、熟悉数字示波器等仪器的使用。
【实验原理】
时差法测量原理：
在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基
本原理是基于速度V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时
间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间 由控制电路定时发出一
个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，
滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时
间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪
器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传
播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的
影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。
连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传
播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介
质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。通过测量二换能器
发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速
度。
图5-5 发射波与接收波
【仪器与器材】
SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（有机
玻璃棒、铝棒等）
【实验内容与步骤】
1、时差法测量超声波在固体中传播速度步骤
图5-6 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图
（1）按图5-6接线，将测试方法设置到脉冲波方式将，接收增益调到适
当位置（一般为最大位置），以计时器不跳字为好。
（2）将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固
体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触
并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用
接收换能器的自重与固体棒端面接触。
（3）这时计时器的读数为t
i-1
，固体棒的长度为L
i-1
。移开接收换能器，
将另1根固体棒端面上涂上适量的耦合剂，置于下面一根固体棒之上，并保持
良好接触，再放上接收换能器，这时计时器的读数为t
i
，固体棒的长度为L
i
。
则声速C
i
=（L
i
-L
i-1
）/（t
i
-t
i-1
）。分别测量超声波在有机玻璃棒、铝棒中的
传播速度，填入表5-3中。
（4）测量超声波在不同固体介质中传播的平均速度时，只要将不同的介
质同时置于两换能器之间就可进行测量。
因为固体中声速较高、固体棒的长度有限等原因，测量所得结果仅作参
考。
2. 液体介质声速的测量
当使用液体为介质测试声速时，按图6所示进行接线。将测试架向上小心提
起，就可对测试槽中注入液体，以把换能器完全浸没为准，注意液面不要过高，
以免溢出。选择合适的脉冲波强度，即可进行测试，步骤与4相同。
使用时应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件被腐蚀。使用完毕后，
用干燥清洁的抹布将测试架及换能器清洁干净。
【注意事项】
1、使用时，应避免声速测试仪信号源的功率输出端短路。
2、严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将液体（水）滴
到数显尺杆和数显表头上，请用60℃以下的温度将其烘干，即可使用。
3、数显尺用后应关闭电源。
【数据处理】
1、列表记录用时差法测量有机棒及金属棒的实验数据。
（1） 三根相同长度和材质的待测棒，利用叠加获得不同的长度。
（2）每个长度所测得相对应的时间。
（3）求出相应的差值，然后计算出声速，并与理论声速传播测量参数进行比
较，并计算百分误差。
表5-3 时差法测量超声波在固体中传播速度
数据
材质
有机玻璃
铝
t
i
L
i
t
2
L
2
t
3
L
3
C
i
=（L
2
-L
1
）/（t
2
-t
1
）
C
2
=（L
3
-L
2
）/（t
3
-t
2
）
C=（C
i
+ C
2
）/2
2、固体中的纵波声速：
铝：C棒=5150m/s， C块=6300m/s
铜：C棒=3700m/s， C块=5000m/s
钢：C棒=5050m/s， C块=6100m/s
玻 璃：C棒=5200m/s， C块=5600m/s
有机玻璃：C棒=1500～2200m/s，C块=2000～2600m/s
注：以上数据仅供参考。由于介质的成分和温度的不同，实际测得的声速范
围可能会较大。
【思考题】
1、声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？
2、声音在不同介质中传播有何区别？声速为什么会不同？
2024年5月12日发(作者：令元旋)
超声波在固体中传播速度的测量
在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、
表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结
晶体，沿任何方向可有三种波传播。
【实验目的】
1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。
2、学会用逐差法处理实验数据。
3、熟悉数字示波器等仪器的使用。
【实验原理】
时差法测量原理：
在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基
本原理是基于速度V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时
间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间 由控制电路定时发出一
个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，
滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时
间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪
器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传
播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的
影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。
连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传
播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介
质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。通过测量二换能器
发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速
度。
图5-5 发射波与接收波
【仪器与器材】
SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（有机
玻璃棒、铝棒等）
【实验内容与步骤】
1、时差法测量超声波在固体中传播速度步骤
图5-6 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图
（1）按图5-6接线，将测试方法设置到脉冲波方式将，接收增益调到适
当位置（一般为最大位置），以计时器不跳字为好。
（2）将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固
体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触
并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用
接收换能器的自重与固体棒端面接触。
（3）这时计时器的读数为t
i-1
，固体棒的长度为L
i-1
。移开接收换能器，
将另1根固体棒端面上涂上适量的耦合剂，置于下面一根固体棒之上，并保持
良好接触，再放上接收换能器，这时计时器的读数为t
i
，固体棒的长度为L
i
。
则声速C
i
=（L
i
-L
i-1
）/（t
i
-t
i-1
）。分别测量超声波在有机玻璃棒、铝棒中的
传播速度，填入表5-3中。
（4）测量超声波在不同固体介质中传播的平均速度时，只要将不同的介
质同时置于两换能器之间就可进行测量。
因为固体中声速较高、固体棒的长度有限等原因，测量所得结果仅作参
考。
2. 液体介质声速的测量
当使用液体为介质测试声速时，按图6所示进行接线。将测试架向上小心提
起，就可对测试槽中注入液体，以把换能器完全浸没为准，注意液面不要过高，
以免溢出。选择合适的脉冲波强度，即可进行测试，步骤与4相同。
使用时应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件被腐蚀。使用完毕后，
用干燥清洁的抹布将测试架及换能器清洁干净。
【注意事项】
1、使用时，应避免声速测试仪信号源的功率输出端短路。
2、严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将液体（水）滴
到数显尺杆和数显表头上，请用60℃以下的温度将其烘干，即可使用。
3、数显尺用后应关闭电源。
【数据处理】
1、列表记录用时差法测量有机棒及金属棒的实验数据。
（1） 三根相同长度和材质的待测棒，利用叠加获得不同的长度。
（2）每个长度所测得相对应的时间。
（3）求出相应的差值，然后计算出声速，并与理论声速传播测量参数进行比
较，并计算百分误差。
表5-3 时差法测量超声波在固体中传播速度
数据
材质
有机玻璃
铝
t
i
L
i
t
2
L
2
t
3
L
3
C
i
=（L
2
-L
1
）/（t
2
-t
1
）
C
2
=（L
3
-L
2
）/（t
3
-t
2
）
C=（C
i
+ C
2
）/2
2、固体中的纵波声速：
铝：C棒=5150m/s， C块=6300m/s
铜：C棒=3700m/s， C块=5000m/s
钢：C棒=5050m/s， C块=6100m/s
玻 璃：C棒=5200m/s， C块=5600m/s
有机玻璃：C棒=1500～2200m/s，C块=2000～2600m/s
注：以上数据仅供参考。由于介质的成分和温度的不同，实际测得的声速范
围可能会较大。
【思考题】
1、声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？
2、声音在不同介质中传播有何区别？声速为什么会不同？