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1、第25卷第5期物理测试Vol.25,No.52007年9月PhysicsExaminationandTestingSep.2007固体杨氏模量的测量王玉清(延安大学物理与电子信息学院,陕西延安,716000)摘要:通过测量超声波在固体介质中传播的纵波传播速度,进一步测量该固体的杨氏模量,得到了测量固体杨氏模量的一种新方法。关键词:超声波;纵波;传播速度;密度;杨氏模量中图分类号:TG113.25文献标识码:A文章编号:100120777(2007)0520047202MeasurementofSo
2、lidYoung'sModulusWangYü2qing(CollegeofPhysicsandElectronicInformation,Yan'anUniversity,Yan'an716000,Shaanxi,China)Abstract:SolidYoung'smodulusisdeterminedbymeasuringthepropagationspeedoflongitudinalwaveinducedbyultrasonicwaveinsolidmedia.Akindofnewmea
3、suringmethodofsolidYoung'smodulusisobtained.Keywords:ultrasonicwave;longitudinalwave;propagationspeed;density;Young'smodulus杨氏模量是表征固体材料抵抗形变能力的重要由(1)式得2物理量,它反映了材料形变与内应力之间的关系,是Y=v纵ρ(2)衡量材料受力之后形变大小的参数之一,也是工程由(2)式可见,只要测得超声波在该固体中传播技术中机械构件选材时的重要依据,测量金属杨氏的速度
4、v纵以及该固体的密度ρ,就可以算出该固体模量实验是大学物理实验中的一个重要的力学实的杨氏模量Y,实现对固体杨氏模量的间接测量。验。实验时,让连续波经脉冲调制后由发射换能器测量杨氏模量的方法很多,如静态拉伸法和梁发射至被测固体介质中,超声波在该固体介质中传[1～7]的弯曲法等。通常当采用静态拉伸法测量金属播,经过t时间后,到达距离L处的接收换能器。由丝微小的伸长量时,应用了光杠杆的放大原理。近运动定律可知,声波在介质中传播的速度可由以下年来通过许多改进,如应用CCD、监视器和显微镜公式求出:等技术,
5、对微小伸长量进行放大,本质上都是围绕如v纵=L/t(3)何测准微小伸长量而设计的,实验所用仪器、设备价将(3)式代入(2)式,得格昂贵;除此而外,不论是静态拉伸法,还是梁的弯L2Y=2ρ(4)曲法,都无法测出脆性固体的杨氏模量。本文用时t差法测量超声波(纵波)在脆性固体中的传播速度,距离L和时间t可分别用游标卡尺和信号源计进一步测量固体材料的杨氏模量,原理清楚,方法简时器精确测出;测量密度的方法很多,如果该固体不单,克服了利用静态拉伸法、梁的弯曲法无法测量脆溶于水,就可用静力称衡法得到该固体的密度
6、;如果性固体的杨氏模量的缺陷。该固体溶于水,可用其它方法得到固体的密度。这样就可以通过测量L、t、ρ来得到固体的杨氏模量。1测量原理2实验装置固体中弹性纵波的波速为实验装置如图1所示。所用仪器有示波器,Yv纵=ρHZDH杭州大华仪器制造有限公司生产的综合声式中,Y为待测固体的杨氏模量,ρ为该固体的密度,速测定仪信号源SVX25,接收换能器、发射换能器,作者简介:王玉清(19702),女,实验收师;E2mail:ydxxxyrenxch@163.com;修订日期:200720421148物理测试第2
7、5卷样品棒,待测材料棒.发射换能器与综合声速测定仪通过样品棒以及待测铜板所用时间t2=70μs,则t信号源SVX25的发射端换能器接口相连接,接收换=t2-t1=2μs,用静力称衡法测得铜板的密度ρ=-3能器与综合声速测定仪信号源SVX25的接收端换8.93g·cm,将所测数据L、t、ρ代入式(4),得到10-2能器接口相连接,两换能器之间放样品棒、待测材该铜板的杨氏模量Y=11183×10N·m。而在[1,2]10料。有关资料中查得铜的杨氏模量为10.3×10N-210-2·m～12.7×10N
8、·m,由此可以看出,测量值与理论值相比较,吻合得比较好。表1为所测得的几种固体的杨氏模量,仅供参考。表1几种固体的杨氏模量数据Table1Young'smodulusofseveralsolids固体材料铁铝硬塑料玻璃图1实验装置杨氏模量20.017.020.247.08Fig.1Testmachine(×1010N·m-2)3实验内容5结论(1)仪器在使用之前,加电开机预热15min。(2)按图1所示进行连线,将测试方法设置到(1)用该方法测量固体材料的杨氏模量时,为用脉冲波方式
