聲速測定實驗報告

1、.實驗序號： 28實驗題目：聲速測定試驗時間： 2011 ·11 ·8實驗室：成績：班級：姓名：學號：指導教師【實驗目的】1了解壓電換能器的功能，加深對駐波及振動合成等理論知識的理解。2學習用共振干涉法、相位比較法和時差法測定超聲波的傳播速度。3通過用時差法對多種介質的測量，了解聲納技術的原理及其重要的實用意義。【實驗原理】在波動過程中波速V 、波長和頻率 f 之間存在著下列關系：Vf ?，實驗中可通過測定聲波的波長和頻率 f 來求得聲速 V 。常用的方法有共振干涉法與相位比較法。聲波傳播的距離 L 與傳播的時間 t 存在下列關系： L V ? t ，只要測出 L 和 t

2、就可測出聲波傳播的速度 V ，這就是時差法測量聲速的原理。1共振干涉法（駐波法）測量聲速的原理：當二束幅度相同，方向相反的聲波相交時，產生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。對于波束1：F1 A ? cos( t 2 ? X /)、波束 2： 2t 2? X /，當它們相交會F A ? cos時，疊加后的波形成波束3： F32A ? cos 2 ? X /?cost ，這里 為聲波的角頻率， t 為經過的時間， X 為經過的距離。由此可見，疊加后的聲波幅度，隨距離按cos 2 ? X / 變化。如圖28.1 所示。 壓電陶瓷換能器 S1 作為聲波發(fā)射器，它由信號源供給頻率為數(shù)千周的交流電信號，由逆壓電效應發(fā)出

3、一平面超聲波；而換能器S2 則作為聲波的接收器，正壓電效應將接收到的聲壓轉換成電信號，該信號輸入示波器，我們在示波器上可看到一組由聲壓信號產生的正弦波形。聲源S1 發(fā)出的聲波，經介質傳播到 S2 ，在接收聲波信號的同時反射部分聲波信號，如果接收面（S2 ）與發(fā)射面（ S1 ）嚴格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與發(fā)射波相干涉形成駐波。我們在示波器上觀察到的實際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器S2 處的振動情況。移動 S2 位置（即改變 S1 與 S2 之間的距離），你從示波器顯示上會發(fā)現(xiàn)當S2 在某些位置時振幅有最小值或最大值。根據(jù)波的干涉理論可以知道：任何二相鄰的振幅最.大值的位置

4、之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為/ 2 。為測量聲波的波長，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時，緩圖 28.1共振干涉法原理圖慢的改變 S1 和 S2 之間的距離。示波器上就可以看到聲振動幅值不斷地由最大變到最小再變到最大，二相鄰的振幅最大之間S2 移動過的距離亦為/ 2 。超聲換能器 S2 至 S1之間的距離的改變可通過轉動螺桿的鼓輪來實現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲波測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀出。在連續(xù)多次測量相隔半波長的S2 的位置變化及聲波頻率 f 以后，我們可運用測量數(shù)據(jù)計算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。2相位法測量原理聲源 S1 發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場，

5、聲場在介質中任一點的振動相位是隨時間而變化的。但它和聲源的振動相位差不隨時間變化。設聲源方程為：F1F01 ?cost距聲源X處 S2 接收到的振動為：X202? cos(t)FFY兩處振動的相位差：XY當把 S1 和 S2 的信號分別輸入到示波器X 軸和 Y 軸，那么當 Xn ?即2n時，合振動為一斜率為正的直線，當X2n 1/2，即2n1時，合振動.為一斜率為負的直線，當 X 為其它值時，合成振動為橢圓（如圖28.2 ）。圖 28.2接收信號與發(fā)射信號形成李薩如圖3時差法測量原理以上二種方法測聲速，是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察二個波的相位差，原理是正確的，但存在讀數(shù)誤差。較精確測量聲速

6、的方法是采用聲波時差法，時差法在工程中得到了廣泛的應用。它是將經脈沖調制的電信號加到發(fā)射換能器上，聲波在介質中傳播，經過時間 t 后，到達距離為 L 處的接收換能器，那么可以用以下公式求出聲波在介質中傳播的速度，速度為 V L / t 。圖 28.3相位法原理圖【實驗儀器】.實驗儀器采用杭州精科儀器有限公司生產的SV6 型聲速測量組合儀及SV5 型聲速測定專用信號源各一臺，其外形結構見圖28.4 。圖 28.4 SV6型聲速測量組合儀實物照片組合儀主要由儲液槽、傳動機構、數(shù)顯標尺、兩副壓電換能器等組成。儲液槽中的壓電換能器供測量液體聲速用，另一副換能器供測量空氣及固體聲速用。作為發(fā)射超聲波用的

7、換能器S1 固定在儲液槽的左邊，另一只接收超聲波用的接收換能器S2 裝在可移動滑塊上。上下兩只換能器的相對位移通過傳動機構同步行進，并由數(shù)顯表頭顯示位移的距離。S1 發(fā)射換能器超聲波的正弦電壓信號由 SV5 聲速測定專用信號源供給，換能器 S2 把接收到的超聲波聲壓轉換成電壓信號，用示波器觀察；時差法測量時則還要接到專用信號源進行時間測量，測得的時間值具有保持功能。實驗時用戶需自備示波器一臺；300mm 游標卡尺一把，用于測量固體棒的長度。圖 28.5共振干涉法、相位法（上）、時差法（下）測量連線圖【實驗內容】.1. 聲速測量系統(tǒng)的連接聲速測量時， SV 5 專用信號源、 SV6 測試儀、示波

8、器之間，連接方法見圖28.5 。2. 諧振頻率的調節(jié)根據(jù)測量要求初步調節(jié)好示波器。將專用信號源輸出的正弦信號頻率調節(jié)到換能器的諧振頻率，以使換能器發(fā)射出較強的超聲波，能較好地進行聲能與電能的相互轉換，以得到較好的實驗效果，方法如下：（ 1）將專用信號源的“發(fā)射波形”端接至示波器，調節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號；（2）專用信號源的上“發(fā)射強度”旋鈕，使其輸出電壓在20 VP P 左右，然后將換能器的接收信號接至示波器，調整信號頻率25kHz 45kHz，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（ 34.5kHz 39.5kHz 之間，因不同的換能器或介質而異）電壓幅度最大，此頻率即是

9、壓電換能器 S1 、 S2 相匹配頻率點，記錄此頻率 f i 。（3）改變 S1 、 S2 的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調節(jié)正弦信號頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達到最大值。共測5 次取平均頻率 f 。3. 共振干涉法、相位法、時差法測量聲速的步驟（1）共振干涉法（駐波法）測量波長將測試方法設置到連續(xù)方式。按前面實驗內容二的方法，確定最佳工作頻率。觀察示波器，找到接收波形的最大值，記錄幅度為最大時的距離，由數(shù)顯尺上直接讀出或在機械刻度上讀出；記下 S2 位置 X 0 。然后，向著同方向轉動距離調節(jié)鼓輪，這時波形的幅度會發(fā)生變化（同時在示波器上可以觀察到來自接收換能器的振動曲線波形發(fā)

10、生相移），逐個記下振幅最大的 X1 ， X 2 ， X 9 共 10 個點，單次測量的波長i2 ? X iX i 1。用逐差法處理這十個數(shù)據(jù)，即可得到波長。（2）相位比較法（李薩如圖法）測量波長將測試方法設置到連續(xù)波方式。確定最佳工作頻率，單蹤示波器接收波接到“ Y ”，發(fā)射波接到“EXT ”外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“CH1”，發(fā)射波接到“ CH 2 ”，打到“ XY ” 顯示方式，適當調節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉動距離調節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記下S2 的位置 X 0 ，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，這時來自接收換能

11、器S2 的振動波形發(fā)生了2 相移。依次記下示波器屏上斜率負、正變化的直線出現(xiàn)的對應位置X 1 ， X 2 ，X 9 。單次波長i2 ? X iX i 1 。多次測定用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長。.3）時差法測量聲速 空氣介質測量空氣聲速時 , 將專用信號源上 “聲速傳播介質 ” 置于 “空氣 ”位置 , 發(fā)射換能器（帶有轉軸）用緊定螺釘固定，然后將話筒插頭插入接線盒中的插座中。將測試方法設置到脈沖波方式。將 S1 和 S2 之間的距離調到一定距離（ 50mm ）。開啟數(shù)顯表頭電源，并置 0 ，再調節(jié)接收增益，使示波器上顯示的接收波信號幅度在 300 400mV 左右（峰 -峰值），以使計時器

12、工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值 L i 1 、 ti 1 ( 時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出 )；移動 S2 ，記錄下這時的距離值和顯示的時間值L i 、 t i 。則聲速V1 ( L i L i 1 ) /( t i ti 1 ) 。記錄介質溫度 t ( C) 。需要說明的是，由于聲波的衰減，移動換能器使測量距離變大（這時時間也變大）時，如果測量時間值出現(xiàn)跳變，則應順時針方向微調“接收放大”旋鈕，以補償信號的衰減；反之測量距離變小時，如果測量時間值出現(xiàn)跳變，則應逆時針方向微調“接收放大”旋鈕，以使計時器能正確計時。 液體介質當使用液體為介質測試聲速時，先小心將

13、金屬測試架從儲液槽中取出，取出時應用手指稍稍抵住儲液槽，再向上取出金屬測試架。然后向儲液槽注入液體，直至液面線處，但不要超過液面線。注意：在注入液體時，不能將液體淋在數(shù)顯表頭上，然后將金屬測試架裝回儲液槽。專用信號源上“聲速傳播介質”置于“液體”位置，換能器的連接線接至測試架上的“液體”專用插座上，即可進行測試，步驟與1 相同。記錄介質溫度t ( C)。 固體介質： ( 只適合用時差法測量)測量非金屬（有機玻璃棒）、金屬（黃銅棒）固體介質時，可按以下步驟進行實驗：a. 將專用信號源上的“測試方法”置于“脈沖波”位置，“聲速傳播介質”按測試材質的不同，置于“非金屬”或“金屬”位置。b. 先拔出發(fā)

14、射換能器尾部的連接插頭，再將待測的測試棒的一端面小螺柱旋入接收換能器中心螺孔內，再將另一端面的小螺柱旋入能旋轉的發(fā)射換能器上，使固體棒的兩端面與兩換能器的平面可靠、緊密接觸，注意：旋緊時，應用力均勻，不要用力過猛，以免損壞螺紋，擰緊程度要求兩只換能器端面與被測棒兩端緊密接觸即可。調換測試棒時，應先拔出發(fā)射換能器尾部的連接插頭，然后旋出發(fā)射換能器的一端，再旋出接收換能器的一端。c. 把發(fā)射換能器尾部的連接插頭插入接線盒的插座中，按圖28. 5(b) 接線，即可開始測量。d. 記錄信號源的時間讀數(shù)，單位為s 。測試棒的長度可用游標卡尺測量得到并記錄。.e. 用以上方法調換第二長度及第三長度被測棒，

15、重新測量并記錄數(shù)據(jù)。f. 用逐差法處理數(shù)據(jù)，根據(jù)不同被測棒的長度差和測得的時間差計算出被測棒的聲速。【數(shù)據(jù)處理】1. 共振平率： 36.9KHz駐波法 - 空氣介質編號12345振幅最大點66.7871.3575.9180.6185.21（ mm）67891089.7994.4899.22103.68108.43水介質編號12345振幅最大點84.26106.83127.09149.01170.77（mm ）678910193.97216.41230.24239.48247.25李薩如圖法 - 空氣介質編號12345圖形重合點62.7872.1181.8390.89100.19（mm ）678

16、910109.76119.13128.38137.51146.31水介質編號12345圖形重合點18.9062.499.10141.78184.08（mm ）678910229.06272.08314.08355.08395.432以空氣介質為例，計算出共振干涉法和相位法測得的波長平均值，及其標準偏差S ，同時考慮儀器的示值讀數(shù)誤差為0.01mm 。經計算可得波長的測量結果。.干涉法空氣介質： =2* 【（ 89.79-66.78 ） +（94.48-71.45 ）+（99.22-75.91 ） +（103.68-80.61 ）+（108.43-85.21 ）】 /25=9.26mm52S =

17、 （ i - ） / (5 1) 0.05mmi考慮儀器讀數(shù)誤差和標準偏差，9.26 0.06mm相位法空氣介質： =(109.76-62.78)+(119.13-72.11)+(128.38-81.83)+(137.51-90.89)+(146.31-100.19)/25=9.33mm5S =21)0.07mm（ i - ） / (5i考慮儀器讀數(shù)誤差和標準偏差，9.33 0.08mm3按理論值公式 VSV 0 ?T。，算出理論值 VST0式中 V0331.45m / s 為 T0273.15K時的聲速， Tt273.15 K 。t=15 T15+273.15Vs=VoTo=331.45*2

18、73.15=340.43m/s4計算出通過二種方法測量的V 以及V 值，其中VV VS。將實驗結果與理論值比較，計算百分比誤差。分析誤差產生的原因。可寫為在室溫為 15C 時，用共振干涉法（相位法）測得超聲波在空氣中的傳播速度為：V=341.701.85m/ sV= V =0.37% （駐波法）VsV=344.282.58m / s= VV =1.1% （相位法）Vs5列表記錄用時差法測量非金屬棒及金屬棒的實驗數(shù)據(jù)。（ 1） 三根相同材質，但不同長度待測棒的長度金屬.棒長度（ mm ）時間（s）聲速（ m/s ）L1167762197.4L2208872390.8L3247992494.9非金屬棒長度 (mm0時間（s）聲速（ m/s ）L11801081666.7L22201371605.8【思考題】1 聲速測量中共振干涉法、相位法、時差法有何異同？從波源上說，干涉法、相位法用的是連續(xù)波，時差法用的是脈沖波。從測量儀器上說，干涉法、相位法要用示波器、刻尺和頻率計，時差法用的是計時儀器和刻尺。從原理上說，干涉法、相位法原理相同，均是發(fā)射波和返回波形成駐波（在力學里對應的稱共振），測量波腹到波腹