實驗3-5聲速的測量

1、實驗3-5 聲速的測量聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機械波，由于其振動方向與傳播方向一致，故聲波是縱波。振動頻率在的聲波可以被人們聽到，稱為可聞聲波；頻率超過的聲波稱為超聲波。對于聲波特性的測量（如頻率、波速、波長、聲壓衰減和相位等）是聲學應用技術中的一個重要內(nèi)容，特別是聲波波速（簡稱聲速）的測量，在無損檢測、測距和定位、測氣體溫度的瞬間變化、測液體的流速、測材料的彈性模量等應用中具有重要的意義。如測量氯氣等氣體或蔗糖溶液的濃度、橡膠乳液的密度以及測定輸油管中不同油品的分界面等，這些問題都可以通過測定這些物質(zhì)中的聲速來解決。聲速的測量方法可分為兩類；第一類方法是根據(jù)關系式，測出傳播距離和所需時間

2、后，即可算出聲速；第二類方法是利用關系式，從測量其頻率和波長來算出聲速.本實驗所采用的共振干涉法和相位比較法屬于后者，時差法則屬于前者。聲速與聲波的頻率無關，只決定于彈性介質(zhì)的性質(zhì)。由于超聲波具有波長短、易于定向發(fā)射及抗干擾等優(yōu)點，所以在超聲波段進行聲速測量是比較方便的。對聲速這一非電量的測量本實驗是利用壓電陶瓷換能器來進行?！緦嶒災康摹繉W會用共振干涉法和相位法測量空氣中的聲速；學會使用示波器和信號發(fā)生器；加強對駐波及振動合成等理論的理解。【預習思考題】實驗中是如何獲得超聲波的？駐波法和相位法測聲速的方法有何異同？【實驗原理】聲波的傳播速度與其頻率和波長的關系為 （3-5-1）測得聲波的頻率和

3、波長，就可得到聲速。同樣，傳播速度亦可用表示，若測得聲波傳播所經(jīng)過的距離 和傳播時間，也可求得聲速。1超聲波與壓電陶瓷換能器超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點。在超聲波段進行聲速測量的優(yōu)點還在于超聲波的波長短，可以在短距離較精確地測出聲速推薦精選。本實驗超聲波的發(fā)射和接收采用的是壓電陶瓷制成的換能器（探頭），它利用壓電效應和磁致伸縮效應可以在機械振動與交流電壓之間雙向換能。聲速測量的實驗中采用超聲波頻率一般都在之間。在此頻率范圍內(nèi)，采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器、接收器效果最佳。壓電陶瓷換能器結構如圖3-5-1所示。頭部用輕金屬做成喇叭形，尾部用重金屬做成柱形，中部為壓電陶瓷圓

4、環(huán)，螺釘穿過圓環(huán)的中心。這種結構增大了輻射面積。振子縱向長度的伸縮直接影響頭部輕金屬，發(fā)射的波有較好的方向性和平面性。圖3-5-1 縱向換能器的結構簡圖2共振干涉法（駐波法）測量聲速實驗裝置如圖3-5-2 所示，圖中和為壓電晶體換能器，作為超聲波源，低頻信號發(fā)生器輸出的交流電信號接入換能器后，產(chǎn)生逆壓電效應而發(fā)出一近似平面超聲波。 為超聲波接收器，在接收聲波的同時還能反射一部分超聲波，反射波與入射波為相干波，形成駐波。圖3-5-2 聲速測量實驗裝置圖當兩個換能器之間的距離等于半波長的整數(shù)倍時，來回聲波的波峰與波峰、波谷與波谷正好重疊，推薦精選產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，波幅達到極大。從示波器上觀察到的電壓信

5、號幅值也是極大值。設沿x方向入射波方程為 反射波方程為 入射波與反射波相干疊加，合成駐波 (3-5-2)當時，振幅最大，稱為波腹。對應在，位置上；當時，振幅最小，稱為波節(jié)。對應在，位置上； 由上述討論可以知道：任何兩相鄰的波腹或波節(jié)間的距離均為.當信號發(fā)生器的策動頻率等于駐波系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)的振幅最大，即發(fā)生駐波共振，聲波波腹處的振幅達到最大值。當駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)時，駐波的波形不穩(wěn)定，且聲波波腹的振幅比最大值要小很多。緩慢的改變和之間的距離，在示波器屏上所顯示的波形幅值發(fā)生周期性的變化，即由一個極大值變到極小，再變到極大。在一系列特定的位置上，形成駐波，示波器上可觀察到信號幅度較大。

6、在幅度較大時，在調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率，找到信號幅度最大的駐波共振狀態(tài)。移動的過程中可以觀察到一系列的共振態(tài)。任意兩個相鄰極大值之間移動的距離皆為半波長。若從第個共振狀態(tài)變化到第個共振狀態(tài)時，移動的距離為，則在連續(xù)多次測量相隔半波長的的位置變化，可得超聲波波長，從頻率儀上讀出超聲波頻率以后，即可算出聲速。3. 相位比較法（行波法）測量原理實驗裝置如圖3-5-2 所示，從發(fā)出的超聲波通過媒質(zhì)傳到接收器，接收器和發(fā)射推薦精選器之間產(chǎn)生了相位差： (3-5-2)由上式可知，每改變一個波長，相位差就變化，通過觀察相位差的變化，便可測出。將發(fā)射器和接收器的正弦電壓信號分別輸入到示波器的CH1和CH2通道，

7、在屏上便顯示出頻率為1:1的李薩如圖形。改變L時，兩個諧振動的相位差從0，圖形就從斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再變到斜率為負的直線；位相差再由0，圖形又從斜率為負曲線變?yōu)闄E圓，再變回斜率為正的直線，如圖3-5-3所示。為了便于判斷，選擇李薩如圖為直線時作為測量的起點，移動，當變化一個波長時，就會重復出現(xiàn)同樣斜率的直線。讀出移過的距離，就測出了超聲波的波長。圖3-5-3 用李薩如圖觀察相位變化4. 時差法測量原理時差法測量聲速的基本原理是基于.發(fā)射換能器定時發(fā)出一個聲脈沖，經(jīng)聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過時間后，到達距離處的接收換能器。由高精度計時電路得到聲波從發(fā)出到接收在媒質(zhì)中傳播的時間，并由聲速測試儀信

8、號源時間顯示窗口直接讀出，聲波傳播的距離由數(shù)顯表頭記錄，從而計算出聲波在媒質(zhì)中的傳播速度?！緦嶒瀮x器】SV-DH系列聲速測試儀是由聲速測試儀測試架和聲速測試儀信號源二個部分組成。1聲速測試儀測試架推薦精選圖3-5-4 超聲波聲速測試儀測試架結構2測試儀專用信號源圖3-5-5 聲速測試儀信號源面板信號頻率：調(diào)節(jié)輸出信號的頻率；發(fā)射強度：調(diào)節(jié)輸出信號電功率（輸出電壓），僅連續(xù)波有效。接收增益：調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部的接收增益。【實驗內(nèi)容及步驟】1. 駐波法測量聲速（1）電路連接與儀器調(diào)整儀器使用前，加電開機預熱15分鐘，在接通市電后，自動工作在連續(xù)波方式。如圖3-5-2所示，信號源面板上的發(fā)射端換能器接口，

9、用于輸出一定頻率的功率信號，請接至測試架的發(fā)射換能器；信號源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形，請接至雙蹤示波器的CH1（Y1），用于觀察發(fā)射波形；接收換能器的輸出接至示波器的CH2（Y2）.（2）測定壓電陶瓷換能器的頻率工作點 將信號發(fā)生器輸出頻率調(diào)至諧振頻率附近（之間），移動，示波器顯示正弦波振幅的變化，移動到振幅較大處，固定，再仔細調(diào)節(jié)頻率，使圖形幅度達到最大，此頻率即是壓電換能器相匹配的一個諧振工作點，由信號源頻率顯示窗口直接讀出頻率。（3）測量在諧振頻率下，將測試方法設置到連續(xù)波方式，選擇合適的發(fā)射強度。轉動鼓輪，記錄下幅度為最大時的距離，再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，當接收波經(jīng)變

10、小后再到最大時，記錄下此時的距離推薦精選，并進行多次測定，將所采集的數(shù)據(jù)填于表3-5-1中。2相位法（李薩茹圖法）測量聲速將測試方法設置到連續(xù)波方式，選擇合適的發(fā)射強度。將示波器打到“X-Y”方式，選擇合適的示波器通道增益，示波器顯示李薩茹如圖形。轉動鼓輪，移動，使李薩茹如圖顯示的橢圓變?yōu)橐欢ń嵌鹊囊粭l斜線，記錄下此時的距離。再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，這時接收波的相位變化，記錄下此時的距離，多次測定，將所采集的數(shù)據(jù)填于表3-5-2中。3時差法測量聲速（選做）使用空氣為介質(zhì)測試聲速，按圖3-5-2進行接線，這時示波器的、通道分別用于觀

11、察發(fā)射和接收波形。為了避免連續(xù)波可能帶來的干擾，可以將連續(xù)波頻率調(diào)離換能器諧振點。將測試方法設置到脈沖波方式，選擇合適的脈沖發(fā)射強度。將移動到離開一定距離（50mm），選擇合適的接收增益，使顯示的時間差值讀數(shù)穩(wěn)定。然后記錄此時的距離值和信號源計時器顯示的時間值、.移動，記錄多次測量的距離值和顯示的時間值、（數(shù)據(jù)記錄表格自擬），將所采集的數(shù)據(jù)填于自擬的表格中。4注意事項測量時，旋轉鼓輪應向同一方向旋轉，以避免空程誤差；電源接通時，兩超聲換能器不得接觸；在距離50mm時,在一定的位置上，示波器上看到的波形可能會產(chǎn)生“拖尾”，這時顯示的時間值很小。這是由于距離較近時，聲波的強度較大，反射波引起的共振

12、在下一個測量周期到來時未能完全衰減而產(chǎn)生的。調(diào)小接收增益,可去掉“拖尾”,在較近的距離范圍內(nèi)也能得到穩(wěn)定的聲速值。由于空氣中的超聲波衰減較大，在較長距離內(nèi)測量時，接收波會有明顯的衰減，這可能會帶來計時器讀數(shù)有跳字，這時應微調(diào)（距離增大時，順時針調(diào)節(jié)；距離減小時，逆時針調(diào)節(jié)）接收增益，使計時器讀數(shù)在移動推薦精選時連續(xù)準確變化?？梢詫⒔邮論Q能器先調(diào)到遠離發(fā)射換能器的一端，并將接收增益調(diào)至最大，這時計時器有相應的讀數(shù)。由遠到近調(diào)節(jié)接收換能器，這時計時器讀數(shù)將變?。浑S著距離的變近，接收波的幅度逐漸變大，在某一位置，計時器讀數(shù)如果有跳字，就逆時針方向微調(diào)接收增益旋鈕，使計時器的計時讀數(shù)連續(xù)準確變化，就可準確測得計時值?！緮?shù)據(jù)處理與分析】1. 駐波法測量聲速表3-5-1 駐波法測量聲速實驗數(shù)據(jù)記錄表（聲波頻率 介質(zhì)溫度）12345678用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)，給出聲波波長、聲速的測量結果。按理論公式，