研究表明，超聲波的傳播速度和衰減與傳聲介質(zhì)的粘彈性系數(shù)密切相關(guān)，因此超聲波技術(shù)被廣泛用于材料表征。通常，在檢測(cè)過程中，該技術(shù)要求換能器與材料之間必須保持穩(wěn)定的耦合狀態(tài)，因而人們專門設(shè)計(jì)了在相應(yīng)耦合液中的液浸檢測(cè)技術(shù)以保證耦合狀態(tài)的穩(wěn)定性。不過在有些情況下，這種方法也不能使用，例如對(duì)于聚合物固化過程的檢測(cè)，以及高衰減(如復(fù)合材料)和厚度較大材料的檢測(cè)等。

N. Saint-Pierre推導(dǎo)出了一個(gè)薄壓電圓片電阻的頻率演變的一維模型， 以壓電圓片的電阻取決于環(huán)繞在其周圍介質(zhì)聲學(xué)性能為工作原理創(chuàng)建超聲波評(píng)價(jià)模型。將壓電元件夾在兩塊厚度有限且互相平行的頻散聚合物板之間，采用電阻測(cè)量技術(shù)對(duì)壓電元件的電阻進(jìn)行了測(cè)量，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相比較，驗(yàn)證了超聲波評(píng)價(jià)模型的正確性。依靠這個(gè)模型，通過測(cè)量植入傳感器的電阻，反過來能夠確定傳感器周圍介質(zhì)的聲學(xué)性能。這是通過一種非線性優(yōu)化數(shù)值方法達(dá)到的。該方法適用于表征薄和/或衰減小的材料。這種新技術(shù)特別適合于對(duì)聚合物從固化到老化第一階段的整個(gè)全壽命周期的表征[11]。相應(yīng)的結(jié)果與由超聲波頻譜所得到的結(jié)果基本相符。

使用了兩種不同材料，兩者的聲學(xué)性能具有較大差異。一種是PMMA(多甲基丙烯酸酯)，屬于非晶態(tài)聚合物，是一種均質(zhì)材料，其粘滯性引發(fā)超聲波產(chǎn)生的衰減較弱，且波速與頻率無關(guān)；另一種為PA(聚酰胺)和PP(聚丙烯)，屬于半晶體( semi-crystalline)聚合物，對(duì)于這類材料而言，超聲波衰減很強(qiáng)，且主要屬于散射衰減，其聲學(xué)性能是頻散的。

研究所用的樣品，是將一個(gè)厚度1mm、直徑10mm的PZT壓電元件植入上述的PMMA和PA板之間，壓電元件的兩個(gè)表面分別與上述PMMA和PA板相粘接。在實(shí)驗(yàn)室采用脈沖激勵(lì)法可以確定壓電元件的壓電和介電參數(shù)的軸向分量。借助于經(jīng)典的透射技術(shù)，在夾持PZT的樣品上，測(cè)量不同厚度的夾持材料的聲速與衰減。設(shè)PZT是非頻散的，則其聲速在測(cè)量頻率范圍(1.5~3MHz)內(nèi)可視為常數(shù)，而其衰減則由表9-2給出。為了計(jì)算樣品的電阻 ，則應(yīng)知道薄陶瓷圓片和環(huán)繞介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)，而聲學(xué)參數(shù)的頻率依賴關(guān)系可以由經(jīng)典的超聲波脈沖頻譜法測(cè)得。本研究所用的壓電陶瓷片很薄，與直徑相比厚度可以忽略不計(jì)。因此，其徑向和厚度方向的振動(dòng)模式會(huì)發(fā)生在不同的頻率范圍，且模式之間可以認(rèn)為是相互獨(dú)立的。略去復(fù)雜的建模及分析過程，此處只介紹有關(guān)研究結(jié)果。

在1.5~3MHz的頻率范圍內(nèi)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的超聲波傳播速度和衰減結(jié)果如圖9-25所示?？梢钥闯?，衰減隨頻率增加呈指數(shù)規(guī)律變化，而速度則與頻率呈準(zhǔn)線性分布。表9-3列出了由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得到的PMMA和PP材料的聲速和衰減的擬合結(jié)果。