實(shí)驗(yàn)三聲速的測量

1、1實(shí)驗(yàn)三 聲速的測量The measure of speed of sound 超聲波（Ultrasonic wave）在介質(zhì)(Media)中的傳播速度是一個(gè)基本物理量，超聲技術(shù)日趨廣泛應(yīng)用。 超聲測距、超聲清洗、超聲探傷、超聲檢查、超聲美容等。2【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1. 學(xué)會用共振干涉法、相位比較法和時(shí)差法測量聲速，并加深對共振、振動合成波的干涉等理論知識的理解。 2. 進(jìn)一步掌握示波器和低頻信號發(fā)生器的使用。Experimental purpose Learn how to measure speed of sound using resonant interference, phase com

2、parison and time difference, and comprehend elements - resonance, vibration composing，wave interference, etc better. Command the use of oscilloscopes and low frequency signal generators in practice.3【實(shí)驗(yàn)儀器】 超聲聲速測定儀 聲速測定儀信號源 雙通道通用示波器等。Experimental apparatus Speed of ultrasonic measurers speed of sound

3、measurers signal source oscilloscopes with bidirectional channels, etc4【實(shí)驗(yàn)原理】Experimental principle 在波的傳播過程中波速v、波長 與頻率f 之間存在著 的關(guān)系，若能同時(shí)測定媒質(zhì)中聲波傳播的頻率及波長，即可求得此種媒質(zhì)中聲波的傳播速度v 。 測量聲速也可以利用 v = L / t， 其中L為聲波傳播的路程，t 為聲波傳播的時(shí)間。 通過測量 v 還可了解被測媒質(zhì)特性或狀態(tài)的變化，這在工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)上有廣泛的實(shí)用意義。fv51.超聲波的產(chǎn)生和接收 發(fā)射和接收超聲波的器件： 壓電陶瓷。 壓電陶瓷具有

4、正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 在發(fā)射壓電陶瓷上加交變電壓，則產(chǎn)生縱向機(jī)械振動，產(chǎn)生超聲波（逆壓電效應(yīng)）. . 接收壓電陶瓷接收到超聲波后，產(chǎn)生電信號。（正壓電效應(yīng)）. .固定超聲波發(fā)射頭可移動超聲波接收頭底座標(biāo)尺 刻度 鼓輪 聲速測量儀圖電 聲聲 電6 壓電陶瓷有一個(gè)諧振頻率f0（如40KHz40KHz）當(dāng)輸入電信號的頻率等于諧振頻率f0時(shí)，壓電陶瓷產(chǎn)生振動或信號最大。 超聲波單色性好，方向性強(qiáng)，波長較短，故用超聲波作聲源，聲速測量精確度較高。2. 聲速原理 V = f 聲源振動頻率 f ：直接由函數(shù)發(fā)生器讀出. 聲波波長： 駐波振幅極值法和相位比較法測量. 71、共振干涉（駐波Standing

5、Wave ）法測聲速 S1作為超聲源源（發(fā)射頭），低頻信號發(fā)生器輸出的正弦交變電壓信號接到換能器S1上，使S1發(fā)出一列平面波。S2作為超聲波接收頭，把接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成交變的正弦電壓信號后，輸入示波器觀察。當(dāng)S1和S2之間的距離 L 滿足下式：L= n /2 （n=1、2.）時(shí)，形成駐波。 圖4-3- 1 實(shí)驗(yàn)裝置接線圖實(shí)驗(yàn)裝置接線圖圖中S1和S2為壓電陶瓷超聲換能器y地x信號發(fā)生器地聲速測量儀S1S2l8 這樣， S2在接收超聲波的同時(shí)還反射一部分超聲波。由S1發(fā)出的超聲波和由S2反射的超聲波在S1和S2之間產(chǎn)生定域干涉，而形成駐波。L 聲壓駐波分布聲壓22222txAYYYcos)2cos

6、2(214)12(kx2kx 波節(jié)波腹 2kL產(chǎn)生駐波的條件9 對某一特定波長，將相繼出現(xiàn)一系列共振態(tài)，任意兩個(gè)相鄰的共振態(tài)之間，S2的位移為： 所以當(dāng)S1和S2之間的距離 L 連續(xù)改變時(shí)，示波器上的信號幅度每一次周期性變化，相當(dāng)于S1和S2之間的距離改變了 。此距離 可由游標(biāo)卡尺測得，頻率由信號發(fā)生器讀得。根據(jù)波速公式： 可以求得聲速。222)1(1kkLLLkk22fv102.相位比較法 Phase comparison 如圖所示，置示波器功能于XY方式。當(dāng)S1發(fā)出的平面超聲波通過媒質(zhì)到達(dá)接收器S2時(shí)，在發(fā)射波和接受波之間產(chǎn)生位相差： 當(dāng) L = n （ n = 1 、 2 ） 時(shí) ，=2

7、n，波在S1 、S2同相；而當(dāng)L=(n-1/2)時(shí)，=(2n-1)，波在S1 、S2相位相反，由此測量波長。vLfL2221相位差與李薩如圖= 5/ /4= 2= 3/ /2= 7/ /4= 3/ /4= =0= / /2= / /411 改變S1和S2之間的距離L，相當(dāng)于改變了發(fā)射波和接受波之間的位相差，熒光屏上的圖形也隨L不斷變化。 當(dāng)S1 、 S2之間距離改變半個(gè)波長 則 。隨著振動的位相差從 的變化，李薩如圖形從斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再變到斜率為負(fù)的直線。 因此，每移動半個(gè)波長，就會重復(fù)出現(xiàn)斜率符號相反的直線，測得了波長和頻率，根據(jù) 式可計(jì)算出室溫下聲波在媒質(zhì)中傳播的速度。2/L0f

8、v相位差與李薩如圖= 5/ /4= 2= 3/ /2= 7/ /4= 3/ /4= =0= / /2= / /4123.時(shí)差法Time difference 設(shè)以脈沖調(diào)制信號激勵(lì)發(fā)射換能器，產(chǎn)生的聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過t時(shí)間后，到達(dá) L 距離處的接收換能器。 可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度：Ltt接 收 換 能 器 波 形圖4-3-2 發(fā)射與接收波形圖13【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】Experimental content1、聲速測試儀系統(tǒng)的連接與調(diào)試 通電后預(yù)熱15min.，信號源自動工作在連續(xù)波方式 聲速測試儀和信號源及雙通道示波器之間的連接如圖所示。圖4-3- 1 實(shí)驗(yàn)裝置接線圖142、測定壓

9、電陶瓷換能器系統(tǒng)的最佳工作點(diǎn)（1）超聲換能器工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)在100mV500mV之間調(diào)節(jié)聲速測試儀信號源輸出電壓，在2545kHz之間調(diào)節(jié)信號頻率，通過示波器觀察頻率調(diào)整時(shí)接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（34.537.5kHz之間）電壓幅度最大，同時(shí)聲速測試儀信號源的信號指示燈亮，此頻率即是壓電換能器S1、 S2相匹配的頻率點(diǎn)，記錄頻率 f。15（2）改變S1和S2之間的距離 選擇示波器屏上呈現(xiàn)出最大電壓波形幅度時(shí)的位置， 再微調(diào)信號頻率，如此重復(fù)調(diào)整，再次測定工作頻率， 共測5次，將數(shù)據(jù)填入表1并求平均值。163.共振干涉法（駐波法）測量波長 (1) 將信號源測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，

10、設(shè)定最佳工作頻率為 。 (2) 將示波器調(diào)到合適的工作方式, 觀察示波器，找到接收波形的最大值。 轉(zhuǎn)動聲速儀距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時(shí)波形的幅度會發(fā)生變化,記錄幅度為最大時(shí)的距離Li；再向前或者向后沿一個(gè)方向移動接收器的位置，當(dāng)接收波形幅度由大變小，再由小變大，且達(dá)到最大時(shí)，記錄此時(shí)的距離 Li1. 波長 。 接收器的位置由主尺刻度、手輪的位置決定。手輪與絲桿相連上分為100分格，每轉(zhuǎn)一周，接收器平移1mm，故手每一小格為0.01mm，可估到0.001mm。 fiiLL1217（3）連續(xù)移動接收器的位置，觀測示波器相繼出現(xiàn)的極大值，依次在表2中記錄游標(biāo)尺的相應(yīng)值，用逐差法處理數(shù)據(jù)。（4）根據(jù) 求出聲速

11、。fv18 測量方案及實(shí)施示意圖194.相位比較法（李薩如圖形）測量波長（1）將信號源測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，設(shè)定最佳工作頻率為 。（2）首先，置示波器于雙蹤顯示功能，觀察發(fā)射和接收信號波形，轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，至接收信號幅度達(dá)最大值時(shí)的位置。調(diào)節(jié)示波器CH1、CH2衰減靈敏度旋鈕、信號源發(fā)射強(qiáng)度、接收增益，令兩波形幅度幾乎相等，觀察兩波形曲線間的關(guān)系。（3）然后，置示波器于XY功能方式，這時(shí)觀察到的李薩如圖形為一斜線，否則可微調(diào)聲速儀的鼓輪實(shí)施之，記錄下此時(shí)的距離Li。f20（4）單向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)鼓輪，改變換能器之間的距離。當(dāng)移動一個(gè)波長時(shí)，觀察到波形又返回前面所說的特定角度的斜線，這時(shí)來自接收

12、換能器S2的振動波形發(fā)生了2相移，記錄此時(shí)的距離 Li1。 即：波長 。（5）多次測定，依次在表3中記錄游標(biāo)尺的相應(yīng)值，并用逐差法處理數(shù)據(jù)。（6）根據(jù) 求出聲速。iiLL1fv相位差與李薩如圖= 5/ /4= 2= 3/ /2= 7/ /4= 3/ /4= =0= / /2= / /4215.時(shí)差法測量聲速（1） 設(shè)置信號源測試方法為脈沖波方式，將聲速儀S1和S2之間距離調(diào)至50mm。（2） 調(diào)節(jié)示波器接收增益，使顯示的接收波信號幅度在300400mV左右（峰峰值），再調(diào)定時(shí)器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時(shí)的距離 Li 和時(shí)間值 ti（時(shí)間由聲速測試儀信號源時(shí)間顯示窗口直接讀出或由示波器測出）。（3）移動S2，同時(shí)調(diào)節(jié)示波器接收增益使接收信號幅度始終保持一致。記錄這時(shí)的距離值Li1和顯示的時(shí)間值ti1。22（4）多次測定，依次在表4中記錄游標(biāo)尺的相應(yīng)值，用逐差法處理數(shù)據(jù)，計(jì)算聲速 。)/()(11iiiiittLLvt接 收 換 能 器 波 形圖4-3-2 發(fā)射與接收波形圖3