1.3.1 固體介質中的縱波、橫波與表面波聲速

固體介質不僅能傳播縱波，而且可以傳播橫波和表面波等，但它們的聲速是不相同的。此外，介質尺寸的大小對聲速也有一定的影響，無限大固體介質與細長棒中的聲速也不一樣。

1.無限大固體介質中的聲速

無限大固體介質是相對于波長而言的，當介質的尺寸遠大于波長時，就可以視為無限大介質。

在無限大的固體介質中，縱波聲速為

在無限大的固體介質中，橫波聲速為

在無限大的固體介質中，表面波聲速為

式中 E——介質的彈性模量；

G——介質的切變模量；

ρ——介質的密度；

σ——介質的泊松比。

由式（1-6）～式（1-8）可知：

1）固體介質中的聲速與介質的密度和彈性模量等有關，不同的介質，聲速不同；介質的彈性模量越大，密度越小，則聲速越大。

2）聲速還與波的類型有關，在同一固體介質中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并且相互之間有以下關系，即

所以c_L＞c_S＞c_R，這表明，在同一種固體材料中，縱波聲速大于橫波聲速，橫波聲速又大于表面波聲速。

對于鋼材，σ≈0.28，c_L≈1.8c_S，c_R≈0.9c_S，即c_L:c_S:c_R≈1.8:1:0.9。

2.細長棒中的縱波聲速

在細長棒中（棒徑d≤λ）軸向傳播的縱波聲速與無限大固體介質中縱波聲速不同，細長棒中的縱波聲速為

常見液體、固體介質的密度、聲速和聲特性阻抗（聲阻抗的概念見1.5.2）見表1-1。

3.聲速與溫度、應力、均勻性的關系

超聲波在某一具體介質中傳播的速度，對某一種固定波形來說基本上是個不變的定值。當超聲波傳播介質尺寸遠大于超聲波波長時，影響超聲波聲速的主要因素有基波形、傳播介質的彈性性能和溫度等。對于各向異性的材料，其各個方向的彈性模量存在一定的差異，因此各個方向的聲速也存在一定的差異，這對缺陷的定位會產生一定的影響。常見的各向異性材料有雙向奧氏體型不銹鋼、純銅、黃銅等。固體材料的聲速也會隨著溫度的變化而變化，通常溫度升高，聲速會有一定的下降，然而聲速的變化基本上是隨著溫度呈線性變化，在200℃范圍內，溫度每升高1℃，縱波在鋼中的聲速下降約1m/s，不同溫度下縱波和橫波在鋼中的聲速變化如圖1-14所示。

聲速不受頻率的影響，不同頻率的超聲波在同一介質中的聲速一致。

固體介質的應力狀況對聲速有一定的影響，一般應力增大，聲速增大，但增加緩慢。例如，對于26℃下的純鐵，應力P=1kPa時，c_s=3219m/s；P=9kPa時，c_s=3252m/s。

固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表現較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，如石墨含量增加和尺寸增大，則聲速減小。