聲速的測(cè)定56178

1、實(shí)驗(yàn)3 聲速測(cè)定【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射和接收方法。2用駐波法、行波法和時(shí)差法測(cè)量聲速?！緦?shí)驗(yàn)儀器】聲速測(cè)試儀，示波器，聲速測(cè)試儀信號(hào)源等。【預(yù)習(xí)要求】1. 確定實(shí)驗(yàn)步驟。2. 列出數(shù)據(jù)記錄表格?！緦?shí)驗(yàn)依據(jù)】聲波的傳播速度與其頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系為 (1)由（1）式可知，測(cè)得聲波的頻率和波長(zhǎng)，就可得到聲速同樣，傳播速度亦可用 (2)表示，若測(cè)得聲波傳播所經(jīng)過(guò)的距離L和傳播時(shí)間t，也可獲得聲速高于20kHz稱(chēng)為超聲波。由于超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點(diǎn)在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量可以在短距離較精確地測(cè)出聲速。聲速實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻率一般都在2060kHz之間，在此頻率范圍內(nèi)，采

2、用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器、接收器效果最佳。這種壓電陶瓷是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電磁振動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷制成的換能器（探頭）如圖8-1所示。圖 8-1 縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，分為縱向（振動(dòng)）換能器、徑向（振動(dòng)）換能器及彎曲振動(dòng)換能器。聲速教學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的大多數(shù)采用縱向（振動(dòng)）換能器?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法】1共振干涉法（駐波法）測(cè)聲速 實(shí)驗(yàn)裝置如圖8-2 所示。(a) 駐波法、相位法連線圖(b) SVX-7聲速測(cè)試儀信號(hào)源面板圖 8-2 圖中S1和S2為壓電晶體換能器，S1作為聲波源，它被低頻信號(hào)發(fā)生器輸出的交流電信號(hào)激勵(lì)后，由于逆壓電效應(yīng)發(fā)

3、生受迫振動(dòng)，并向空氣中定向發(fā)出一近似的平面聲波；S2 為超聲波接收器，聲波傳至它的接收面上時(shí)，再被反射。當(dāng)S1 和S2的表面互相平行時(shí)，聲波就在兩個(gè)平面間來(lái)回反射，當(dāng)兩個(gè)平面間距L 為半波長(zhǎng)的整倍數(shù)，即 (3)時(shí)，來(lái)回聲波的波峰與波峰、波谷與波谷正好重疊，形成駐波。因?yàn)榻邮掌鱏2 的表面振動(dòng)位移可以忽略，所以對(duì)位移來(lái)說(shuō)是波節(jié)，對(duì)聲壓來(lái)說(shuō)是波腹本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是聲壓，所以當(dāng)形成駐波時(shí)，接收器的輸出會(huì)出現(xiàn)明顯增大，從示波器上觀察到的電壓信號(hào)幅值也是極大值（如圖8-3）。圖 8-3 接受器表面聲壓隨距離的變化圖中各極大值之間的距離均為，由于散射和其他損耗，各極大值幅值隨距離增大而逐漸減小我們只要測(cè)出各極

4、大值對(duì)應(yīng)的接收器S2的位置，就可測(cè)出波長(zhǎng)，由信號(hào)源讀出超聲波的頻率值后，即可由公式（1）求得聲速。(1) 測(cè)量裝置的連接儀器在使用之前，加電開(kāi)機(jī)預(yù)熱15min。在接通市電后，自動(dòng)工作在連續(xù)波方式，這時(shí)脈沖波強(qiáng)度選擇按鈕不起作用。如圖8-1(a)所示，信號(hào)源面板上的發(fā)射端換能器接口（S1），用于輸出一定頻率的功率信號(hào)，請(qǐng)接至測(cè)試架的發(fā)射換能器（S1）；信號(hào)源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形Y1，請(qǐng)接至雙蹤示波器的CH1（Y1），用于觀察發(fā)射波形；接收換能器（S2）的輸出接至示波器CH2(Y2)。(2) 測(cè)定壓電陶瓷換能器的測(cè)試頻率工作點(diǎn)只有當(dāng)換能器S1的發(fā)射面和S2的接收面保持平行時(shí)才有較好的接收效果。

5、為了得到較清晰的接收波形，應(yīng)將外加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率調(diào)節(jié)到換能器S1、S2的諧振頻率處時(shí)，才能較好的進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換（實(shí)際上有一個(gè)小的通頻帶），S2才會(huì)有一定幅度的電信號(hào)輸出，才能有較好的實(shí)驗(yàn)效果。換能器工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)方法如下：首先調(diào)節(jié)發(fā)射強(qiáng)度旋鈕，使聲速測(cè)試儀信號(hào)源輸出合適的電壓，再調(diào)整信號(hào)頻率（在2545kHz之間），觀察頻率調(diào)整時(shí)CH2（Y2）通道的電壓幅度變化。合適選擇示波器的掃描時(shí)基t/div和通道增益，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，使示波器顯示穩(wěn)定的接收波形。在某一頻率點(diǎn)處（3440kHz之間），電壓幅度明顯增大，再適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器通道增益，仔細(xì)地細(xì)調(diào)頻率，使該電壓幅度為極大值，此頻率即是壓電換能

6、器相匹配的一個(gè)諧振工作點(diǎn)，記錄頻率FN。改變S1和S2間的距離，適當(dāng)選擇位置，重新調(diào)整，再次測(cè)定工作頻率，共測(cè)5次，取平均頻率f。在一定的條件下，不同頻率的聲波在介質(zhì)中的傳播速度是相等的。利用換能器的不同諧振頻率的諧振點(diǎn)，可以在用一個(gè)諧振頻率測(cè)量完聲速后，再用另外一個(gè)諧振頻率來(lái)測(cè)量聲速，就可以驗(yàn)證以上結(jié)論。(3) 測(cè)量步驟將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，選擇合適的發(fā)射強(qiáng)度。完成前述步驟后，選好諧振頻率。然后轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時(shí)波形的幅度會(huì)發(fā)生變化，記錄下幅度為最大時(shí)的距離Li-1，再向前或者向后（必須是一個(gè)方向）移動(dòng)距離，當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時(shí)，記錄下此時(shí)的距離Li。即可求得聲波波長(zhǎng)：i=2

7、Li -Li-1。多次測(cè)定，用逐差法處理數(shù)據(jù)。2相位比較法（行波法）測(cè)聲速波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說(shuō)是位相的傳播沿波傳播方向的任何兩點(diǎn)同相位時(shí)，這兩點(diǎn)間的距離就是波長(zhǎng)的整數(shù)倍利用這個(gè)原理，可以精確地測(cè)量波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖8-2所示，沿波的傳播方向移動(dòng)接收器S2總可以找到一點(diǎn)，使接收到的信號(hào)與發(fā)射器的位相相同；繼續(xù)移動(dòng)接收器S2，接收到的信號(hào)再次與發(fā)射器的位相相同時(shí)，移過(guò)的距離等于聲波的波長(zhǎng)。同樣也可以利用李薩如圖形來(lái)判斷相位差實(shí)驗(yàn)中輸入示波器的是來(lái)自同一信號(hào)源的信號(hào)，它們的頻率嚴(yán)格一致，所以李薩如圖是橢圓，橢圓的傾斜與兩信號(hào)間的位相差有關(guān)，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)間的位相差為0 或時(shí)，橢圓變成傾斜的直線。相

8、位法/李薩如圖法測(cè)量波長(zhǎng)的步驟：將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，選擇合適的發(fā)射強(qiáng)度。完成前述(1)、(2)步驟后，將示波器打到“X-Y”方式，選擇合適的示波器通道增益，示波器顯示李薩如圖形。轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，移動(dòng)S2，使李薩如圖顯示的橢圓變?yōu)橐欢ń嵌鹊囊粭l斜線，記錄下此時(shí)的距離Li-1，距離由數(shù)顯尺或機(jī)械刻度尺上讀出。再向前或者向后（必須是一個(gè)方向）移動(dòng)距離，使觀察到的波形又回到前面所說(shuō)的特定角度的斜線，這時(shí)接收波的相位變化2，記錄下此時(shí)的距離Li。即可求得聲波波長(zhǎng)：i=Li -Li-1。3時(shí)差法測(cè)聲速（選做）用時(shí)差法測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)裝置仍采用上述儀器由信號(hào)源提供一個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng)S1發(fā)出一個(gè)脈沖波，經(jīng)過(guò)一段距

9、離的傳播后，該脈沖信號(hào)被S2接受，再將該信號(hào)返回信號(hào)源，經(jīng)信號(hào)源內(nèi)部線路分析、比較處理后輸出脈沖信號(hào)在S1、S2 之間的傳播時(shí)間t，傳播距離L可以從游標(biāo)卡尺上讀出，采用公式（2）即可計(jì)算出聲速。圖 8-4 時(shí)差法測(cè)量聲速接線圖使用空氣為介質(zhì)測(cè)試聲速時(shí)，按圖8-4所示進(jìn)行接線，這時(shí)示波器的Y1、Y2通道分別用于觀察發(fā)射和接收波形。為了避免連續(xù)波可能帶來(lái)的干擾，可以將連續(xù)波頻率調(diào)離換能器諧振點(diǎn)。將測(cè)試方法設(shè)置到脈沖波方式，選擇合適的脈沖發(fā)射強(qiáng)度。將S2移動(dòng)到離開(kāi)S1一定距離（50mm），選擇合適的接收增益，使顯示的時(shí)間差值讀數(shù)穩(wěn)定。然后記錄此時(shí)的距離值和信號(hào)源計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間值Li-1、ti-1。

10、移動(dòng)S2，記錄多次測(cè)量的距離值和顯示的時(shí)間值Li、ti。則聲速Ci=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。注意1：在距離50mm時(shí),在一定的位置上，示波器上看到的波形可能會(huì)產(chǎn)生“拖尾”，這時(shí)顯示的時(shí)間值很小。這是由于距離較近時(shí)，聲波的強(qiáng)度較大，反射波引起的共振在下一個(gè)測(cè)量周期到來(lái)時(shí)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。注意2：由于空氣中的超聲波衰減較大，在較長(zhǎng)距離內(nèi)測(cè)量時(shí)，接收波會(huì)有明顯的衰減，這可能會(huì)帶來(lái)計(jì)時(shí)器讀數(shù)有跳字，這時(shí)應(yīng)微調(diào)（距離增大時(shí)，順時(shí)針調(diào)節(jié)；距離減小時(shí)，逆時(shí)針調(diào)節(jié)）接收增益，使計(jì)時(shí)器讀數(shù)在移動(dòng)S2時(shí)連續(xù)準(zhǔn)確變化?？梢詫⒔?/p>

11、收換能器先調(diào)到遠(yuǎn)離發(fā)射換能器的一端，并將接收增益調(diào)至最大，這時(shí)計(jì)時(shí)器有相應(yīng)的讀數(shù)。由遠(yuǎn)到近調(diào)節(jié)接收換能器，這時(shí)計(jì)時(shí)器讀數(shù)將變小；隨著距離的變近，接收波的幅度逐漸變大，在某一位置，計(jì)時(shí)器讀數(shù)如果有跳字，就逆時(shí)針?lè)较蛭⒄{(diào)接收增益旋鈕，使計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)讀數(shù)連續(xù)準(zhǔn)確變化，就可準(zhǔn)確測(cè)得計(jì)時(shí)值。當(dāng)使用液體為介質(zhì)測(cè)試聲速時(shí)，按圖8-4所示進(jìn)行接線。將測(cè)試架向上小心提起，就可對(duì)測(cè)試槽中注入液體，以把換能器完全浸沒(méi)為準(zhǔn)，注意液面不要過(guò)高，以免溢出。選擇合適的脈沖波強(qiáng)度，即可進(jìn)行測(cè)試，步驟相同。使用時(shí)應(yīng)避免液體接觸到其他金屬件，以免金屬物件被腐蝕。使用完畢后，用干燥清潔的抹布將測(cè)試架及換能器清潔干凈?！緮?shù)據(jù)處理】1 用逐差法處理數(shù)據(jù)求出波長(zhǎng)。2 計(jì)算聲速及不確定度?！鹃喿x材料】聲速與其它物理量的關(guān)系1. 聲波在空氣中的傳播速