声速是材料学和声学研究中的一个重要参数，它反映了声波在特定材料中的传播速度。对于玻璃材料，声速的准确测量至关重要，因为它直接影响到声学器件的设计和性能。为了实现高精度的声速测量，研究人员一直在探索各种测量方法和技术。

超声水浸法是一种常用于测量材料声速的非破坏性技术，它在测量精度和准确性方面具有独特的优势。通过将材料样品浸泡在水中，然后利用超声波传播的特性来测量声速，可以获得高度准确的结果。这种方法不仅适用于均匀材料，还可以用于复杂结构的玻璃样品，例如玻璃纤维增强复合材料。

一、水浸脉冲反射法的声速测量原理

水浸脉冲反射法是一种用于测量固体材料声速的非破坏性技术，它利用超声脉冲在不同介质交界面上发生反射的原理进行测量。这种方法的原理如下：

在声波传播过程中，首先由超声探头发射脉冲波，脉冲波经过耦合剂传播并抵达待测样品表面。在样品表面发生反射的同时，部分声波以折射的方式进入样品内部，并经过样品的厚度。这些声波在样品底部发生反射，然后再次经过样品的厚度传播到样品表面。一部分声波经过超声脉冲收发装置收集并记录为一次底面回波，而另一部分声波再次经过样品厚度的传播距离后抵达样品底部，在底部反射后再次经过样品厚度的距离，传播到样品的表面，由超声脉冲收发装置收集并记录为二次底面回波。

通过测量这些声波回波的时间间隔，并结合已知的探头端面至样品表面的距离以及样品的厚度，可以使用以下公式来计算待测样品的纵波声速：

记录一次底面波与表面反射波之间的时间间隔为1∆t。

记录二次底面波与一次底面波之间的时间间隔为2∆t。

使用千分尺或游标卡尺测得样品的厚度d。

然后，使用公式4计算待测样品的纵波声速c试件：

c试件 = 2d / (∆t)

通过这种方法，可以实现对固体材料声速的高精度测量，而无需破坏样品。这对于材料科学和工程领域的研究和应用具有重要意义，可以帮助研究人员更好地了解材料的声学性质和性能。

二、超声水浸检测系统的搭建

根据对超低膨胀玻璃材料热膨胀系数高精度测量的要求，需要实现声速的测量精度至少达到∆c=0.4 m/s。为了满足这一精度要求，需要计算和确定超声信号的时间测量精度。已知待测超低膨胀玻璃试样的厚度d约为20 mm，使用高精度千分尺进行厚度测量，其测量精度为∆d=1 µm。此外，超低膨胀玻璃产品报告中提供的声速为c=5,746 m/s。根据这些数据，可以使用声速测量系统误差合成式(5)计算出超声波传播时间的测量精度∆t=0.33 ns。这意味着需要至少具备2.5 GHz的数据采集卡采样率来满足这一要求。

为了实现高精度声速测量，设计和搭建了超声水浸法声速测量系统，该系统包括三个主要模块：超声脉冲收发装置、超声水浸检测单元和超声信号采集单元。

超声脉冲收发装置：这一模块包括超声脉冲收发仪和水浸探头。它负责将超声脉冲传送到待测试样品并接收回波信号。

超声水浸检测单元：为了满足高精度测量要求，使用了全水浸式耦合，其中的设计结构允许声波在水浸条件下传播到样品，并确保水浸全覆盖样品的表面。

超声信号采集单元：这一模块使用LabVIEW软件进行程序设计，包括数据采集、波形显示和数据存储三个主要模块。它使用具有最高采样率为2.5 GHz的数据采集卡，以满足对超声信号采样率的要求。该单元可以采集、显示和存储超声信号，以便进一步的数据分析和处理。

通过这一声速测量系统，可以实现对固体材料内部声速的高精度测量，从而满足了超低膨胀玻璃材料声速测量的要求。这对于材料研究和工程应用具有重要意义，能够帮助研究人员更准确地了解材料的声学性质和性能。

三、实验结果及分析

在本实验中，使用了进口的超低膨胀玻璃材料作为待测样品，经过必要的表面和底部打磨，以确保样品的两个端面平坦且平行，从而获得良好的声波反射效果。样品的厚度约为20 mm。

为了进行声速测量，选择了频率为10 MHz、晶片直径为6 mm的水浸聚焦探头，由美国奥林巴斯公司生产。实验中，使用美国奥林巴斯公司生产的尖脉冲激励型的超声脉冲收发仪发出窄脉冲信号，这些信号在水浸聚焦探头中传播，然后由德国Spectrum公司的M4i.2220-x8型数据采集卡采集超声回波信号，采样率为2.5 GHz。在测量过程中，手动调节探头端部与待测样品表面的垂直距离（水距），并根据软件采集到的回波信号的强度来确定适当的水距。

在实验中，发射的超声脉冲信号经过样品后，回波信号中包含了样品表面反射波和一次底面波。由于探头的构造中存在吸声材料，表面反射波并不是规则的脉冲信号，因此难以清晰准确地读取其接收时刻。然而，通过清晰的超声反射回波信号，可以准确地读取一次底面波和二次底面波之间的时间间隔，这两个时间间隔代表了样品内部的超声波传播时间，因此用于测量声速。

通过测量一次底面波谷值和二次底面波谷值对应的时刻，计算得出一次底面波和二次底面波之间的时间间隔为2 ∆t = 6.9 181 µs。样品的厚度通过千分尺测量，得到了19.903 mm的平均值。将这些数据代入声速测量公式，得到了样品的声速为c = 5,753.9 m/s。

在重复了相同的测量操作后，得到了5个超低膨胀玻璃样品的声速测量结果，这些结果在表1中进行了总结。结果表明，测得的声速与产品报告提供的值相差不大，最大差异约为10 m/s，对应的热膨胀系数的差异约为25×10^-9 K^-1，都在超低膨胀玻璃的热膨胀系数标准范围内。此外，测量系统能够识别出不同样品之间的最小声速差异为0.2 m/s，这满足了高精度声速测量的要求，为后续对超低膨胀玻璃材料进行热膨胀系数的高精度测量提供了基础。

四、结语

本研究以满足超低膨胀玻璃材料热膨胀系数高精度测量的需求为出发点，深入分析了声速测量的精确性要求，并随后搭建了超声水浸声速测量系统。

这一系统采用了全水浸的耦合方式，并结合了高精度的数据采集卡，借助自行设计的数据采集与波形显示软件，能够有效地获取待测样品的超声回波信号。这使得系统不仅适合于实地现场检测，而且也具备了便于集成化的优势。

通过搭建的超声水浸声速测量系统，我们成功地对制备的超低膨胀玻璃样品的声速进行了测量。

实验结果表明，系统所测得的超低膨胀玻璃样品的声速均在其标准范围内，并且系统能够检测出不同样品之间的声速差异，最小可识别的声速差异为0.2 m/s。这一成果不仅满足了后续对超低膨胀玻璃材料热膨胀系数高精度测量的需求，还为将来用于其他固体材料内部声速的高精度测量提供了有力的技术支持。因此，该系统在材料性能研究和工程应用中具有广阔的前景和潜力。