刘　蕊

(必能信超声(上海)有限公司，上海 201613)

0　引言

在很多工程应用中，金属材料的杨氏弹性模量对于结构的设计都是关键而敏感的参数。特别是对于各项同性材料而言，由于描述其弹性性质的独立常数很少，因此其杨氏模量能够很好地反映该材料的力学特性。在功率超声领域，由于超声换能器、调幅器以及工具头都主要使用金属材料，所以杨氏弹性模量对设计的影响非常大，特别是对谐振频率的估算，其准确度会直接影响设计精度和加工的难易[1]。

常规的测试杨氏弹性模量的方法有很多，超声技术作为无损检测的代表技术，已经相当成熟[1，2]。由于材料中的声速并不随着试件外形的变化而变化，所以只要测得材料中的纵、横波速度，就可以求得材料的弹性模量。但是，采集和分辨回波信号并不容易，往往需要信号发射、采集和处理系统来得到测试样品的材料参数，对测试环境要求较高，投入成本也很大。本文提出一种利用超声焊接换能器测量谐振频率的方法，利用金属圆棒的简谐振动，可以较准确地测定材料的杨氏弹性模量。同时，用有限元法对测量结果进行验证。

1　测量原理

1.1　弹性体虎克定律

以铝棒为例，根据弹性体的虎克定律，其杨氏模量和泊松比可以直接由样件尺寸、质量和谐振频率得到。由超声波在圆棒中传播的频率方程可知[3]：

E=C·ρ·f2

(1)

式中：E为杨氏弹性模量；ρ为材料密度；f为指定振动模式下所对应的谐振频率；C为修正系数，同测试样品的形状尺寸、泊松比以及振动模式有关。……