三種測(cè)試方法測(cè)試聲速

1、三種測(cè)試方法測(cè)試聲速一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諟y(cè)量聲速的幾種方法實(shí)際測(cè)量聲速二、實(shí)驗(yàn)儀器SV-DH系列聲速測(cè)試儀為觀察、研究聲波在不同介質(zhì)中傳播現(xiàn)象，測(cè)量這些介質(zhì)中聲波傳播速度的專用儀器。它們都由聲速專用測(cè)試架及專用信號(hào)源二部分組成。儀器可用于大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)。SV-DH系列聲速測(cè)試儀不但覆蓋了基礎(chǔ)物理聲速實(shí)驗(yàn)中常用的二種測(cè)試方法，而且，在上述常規(guī)測(cè)量方法基礎(chǔ)上還可以用工程中實(shí)際使用的聲速測(cè)量方法時(shí)差法進(jìn)行測(cè)量。在時(shí)差法工作狀態(tài)下，使用示波器，可以非常明顯、直觀地觀察聲波在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次反射、疊加而產(chǎn)生的混響波形。型號(hào)與組成SV-DH系列聲速測(cè)試儀是由聲速測(cè)試儀（測(cè)試架）和聲速測(cè)試儀信號(hào)源二個(gè)部分組

2、成。下列聲速測(cè)試儀都可增加固體聲速測(cè)量裝置，用于固體聲速的測(cè)量。對(duì)于聲速測(cè)試架，有以下型號(hào)：SV-DH-3型聲速測(cè)定儀（支架式、千分尺讀數(shù)）；SV-DH-3A型聲速測(cè)定儀（支架式、數(shù)顯容柵尺讀數(shù)）；SV-DH-5型聲速測(cè)定儀（液槽式、千分尺讀數(shù)）；SV-DH-5A型聲速測(cè)定儀（液槽式、數(shù)顯容柵尺讀數(shù)）；SV-DH-7型聲速測(cè)定儀（液槽可脫卸、千分尺讀數(shù)）。SV-DH-7A型聲速測(cè)定儀（液槽可脫卸、數(shù)顯容柵尺讀數(shù)）。對(duì)于信號(hào)源，有以下型號(hào)：SVX-3型聲速測(cè)定信號(hào)源（頻率范圍20kHz45kHz帶時(shí)差法測(cè)量脈沖信號(hào)源）;SVX-型聲速測(cè)定信號(hào)源（頻率范圍20kHz-45kHz帶時(shí)差法測(cè)量脈沖信號(hào)

3、源）；SVX-7型通用信號(hào)源（頻率范圍50Hz50KHz、帶時(shí)差法測(cè)量脈沖信號(hào)源）；圖1列出SVX-5SVX-聲速測(cè)試儀信號(hào)源面板，圖2為聲速測(cè)試儀外形示意圖。SVX-5綜合聲速測(cè)定儀信號(hào)源KFIK弋*脈沖波口液體比-連續(xù)波=氣體9WATHfflTH圖1SVX-5、SVX-7聲速測(cè)試儀信號(hào)源面板調(diào)節(jié)旋鈕的作用：信號(hào)頻率：用于調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率；發(fā)射強(qiáng)度：用于調(diào)節(jié)輸出信號(hào)電功率（輸出電壓）；接收增益：用于調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部的接收增益。里樣_典顯游標(biāo)卡尺圖2聲速測(cè)試架外形示意圖主要技術(shù)參數(shù)1. SV-DH聲速測(cè)試儀1.1 環(huán)境適應(yīng)性：工作溫度1035C；相對(duì)濕度2575%1.2 抗電強(qiáng)度：儀器能耐受50

4、Hz正弦波500V電壓1min耐壓試驗(yàn)。1.3 配對(duì)壓電陶瓷換能器：諧振頻率：35±3kHz;可承受的連續(xù)電功率不小于15W1.4 兩換能器之間測(cè)試距離：501.5 外形：測(cè)試架外形尺寸：530mm2. SVX-3型聲速測(cè)試儀信號(hào)源50280mm支架式）、350mm（水槽式）480mm<140mm<152mm（支架式）x140mn<160mm（水槽式）2.1 功率信號(hào)源2.1.1 頻率范圍：25kHz45kHz2.1.2 最大輸出電壓：15Vp-p2.1.3 最大輸出功率：5W2.1.4 頻率顯示：5位LED數(shù)字顯示2.2 脈沖調(diào)制信號(hào)源2.2.1 信號(hào)頻率：36.

5、5kHz2.2.2 脈沖寬度：200卩s2.2.3 脈沖周期：8ms2.3 計(jì)數(shù)定時(shí)器2.3.1 計(jì)數(shù)定時(shí)范圍：1卩s1s2.3.2 分辨率：1卩s2.4 儀器外形尺寸：290mn<240mn<120mm3. SVX-5型綜合聲速測(cè)試儀信號(hào)源3.1 空氣和液體切換測(cè)量3.2 其他同SVX-3型聲速測(cè)試儀信號(hào)源4. SVX-7型通用信號(hào)源4.1 空氣、液體和固體介質(zhì)切換測(cè)量4.2 頻率范圍：50500Hz,5005kHz,5kHz50kHz4.3 其他同SVX-3型聲速測(cè)試儀信號(hào)源三、實(shí)驗(yàn)原理1. 超聲波與壓電陶瓷換能器頻率20Hz-20kHz的機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播形成聲波，高于

6、20kHz稱為超聲波，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，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)，采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器、接收器效果最佳。圖3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)采用縱向換能器。圖3為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。2. 共振干涉法（駐波法）測(cè)量聲速假設(shè)在無(wú)限聲場(chǎng)中，僅有一個(gè)點(diǎn)聲源S1（發(fā)射換能器）和一個(gè)接收平面（接收換能器S2）。當(dāng)點(diǎn)聲源發(fā)出聲波后，在此聲場(chǎng)中只有一個(gè)反射面（即接收換能器平面），并且只產(chǎn)生

7、一次反射。在上述假設(shè)條件下，發(fā)射波Ei=Acos（3t+2nx/入）。在S2處產(chǎn)生反射，反射波E2=Aicos（3t+2nx/入），信號(hào)相位與Ei相反，幅度AivA°E1與E2在反射平面相交疊加，合成波束E3E3=Ei+E2=（Ai+A）cos（3t-2nx/入）+AiCOS（3t+2nx/入）=Aicos（2nx/入）cos3t+AzCOS（3t-2nx/入）由此可見，合成后的波束E3在幅度上，具有隨cos（2nx/入）呈周期變化的特性，在相位上，具有隨（2nx/入）呈周期變化的特性。圖4所示波形顯示了疊加后的聲波幅度，隨距離按cos（2nx/入）變化的特征。接收到的信號(hào)幅度的包絡(luò)

8、波發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離圖4換能器間距與合成幅度實(shí)驗(yàn)裝置按圖7所示，圖中S1和S2為壓電陶瓷換能器。S1作為聲波發(fā)射器，它由信號(hào)源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號(hào)，由逆壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而S2則作為聲波的接收器，壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號(hào)產(chǎn)生的正弦波形。由于S2在接收聲波的同時(shí)還能反射一部分超聲波，接收的聲波、發(fā)射的聲波振幅雖有差異，但二者周期相同且在同一線上沿相反方向傳播，二者在S1和S2區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了波的干涉，形成駐波。我們?cè)谑静ㄆ魃嫌^察到的實(shí)際上是這兩個(gè)相干波合成后在聲波接收器S2處的振動(dòng)情況。移動(dòng)S2位置（即改變S1和S

9、2之間的距離），你從示波器顯示上會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)S2在某此位置時(shí)振幅有最小值。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之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為入/2。為了測(cè)量聲波的波長(zhǎng)，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時(shí)，緩慢的改變S1和S2之間的距離。示波器上就可以看到聲振動(dòng)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的距離為入/2;S2移動(dòng)過(guò)的距離亦為入/2。超聲換能器S2至S1之間的距離的改變可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲速測(cè)試儀信號(hào)源頻率顯示窗口直接讀出。圖5用李薩如圖觀察相位變化在連續(xù)多次測(cè)量相隔半波長(zhǎng)的S2的位置變化及聲波頻率f以后，我

10、們可運(yùn)用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出聲速，用逐差法處理測(cè)量的數(shù)據(jù)。3. 相位法測(cè)量原理由前述可知入射波Ei與反射波E2疊加，形成波束E3即E3=AiC0S（2nx/入）coswt+AzCOS（3t-2nx/入）即對(duì)于波束：Ei=Acos（wt-2nx/入）由此可見，在經(jīng)過(guò)x距離后，接收到的余弦波與原來(lái)位置處的相位差（相移）為B=2nx/入。如圖5所示。因此能通過(guò)示波器，用李薩如圖法觀察測(cè)出聲波的波長(zhǎng)。4. 時(shí)差法測(cè)量原理連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后由發(fā)射換能器發(fā)射至被測(cè)介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，到達(dá)L距離處的接收換能器。由運(yùn)動(dòng)定律可知，聲波在介質(zhì)中傳播的速度可由以下公式求出：速度V=距離L/時(shí)間t通過(guò)測(cè)

11、量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時(shí)間t,就可以計(jì)算出當(dāng)前介質(zhì)下的聲波傳播速度。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 儀器在使用之前，加電開機(jī)預(yù)熱15min。在接通市電后，自動(dòng)工作在連續(xù)波方式，選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)。2. 駐波法測(cè)量聲速。2.1測(cè)量裝置的連接如圖7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)射波形丫1,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）的輸出接至示波器的CH2（Y2）2.2測(cè)定壓電陶瓷換能器的最佳工作點(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；

12、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的諧振頻率點(diǎn)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），以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。按照調(diào)節(jié)到壓電陶瓷換能器諧振點(diǎn)處的信號(hào)頻率，估計(jì)一下示波器的掃描時(shí)基t/div，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，使在示波器上獲得穩(wěn)定波形。超聲換能器工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)方法如下：各儀器都正常工作以后，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（810Vp-p之間），再調(diào)整信號(hào)頻率（在2545kHz）,選擇合適的示波器通道增益（一般0.2V1V/div之間的位置），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

13、間）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配頻率點(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。2.3測(cè)量步驟將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，合適選擇相應(yīng)得測(cè)試介質(zhì)。完成前述2.1、2.2步驟后，觀察示波器，找到接收波形的最大值。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，距離由數(shù)顯尺（數(shù)顯尺原理說(shuō)明見附錄2）或在機(jī)械刻度上讀出，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。即有：波長(zhǎng)入i=2|Li-Li-1|，多次測(cè)定用逐差法處理數(shù)據(jù)。3. 相

14、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，合適選擇相應(yīng)的測(cè)試介質(zhì)。完成前述2.1、2.2步驟后，將示波器打到“X-Y”方式，并選擇合適的通道增益。轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記錄下此時(shí)的距離Li-1;距離由數(shù)顯尺（數(shù)顯尺原理說(shuō)明見附錄2）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，記錄下此時(shí)的距離L。即有：波長(zhǎng)入i=|Li-Li-1|4. 干涉法/相位法測(cè)量數(shù)據(jù)處理已知波長(zhǎng)入i和頻率fi,（頻率由聲速測(cè)試儀信號(hào)源頻率顯示窗口直接讀出。）則聲速Cmixfi。因聲速還與介質(zhì)溫度有關(guān)，所以必要時(shí)請(qǐng)記下介質(zhì)

15、溫度tC。5. 時(shí)差法測(cè)量聲速步驟圖8時(shí)差法測(cè)量聲速接線圖按圖8所示進(jìn)行接線。將測(cè)試方法設(shè)置到脈沖波方式，并選擇相應(yīng)的測(cè)試介質(zhì)。將S1和S2之間的距離調(diào)到一定距離（50mm，再調(diào)節(jié)接收增益，使顯示的時(shí)間差值讀數(shù)穩(wěn)定，此時(shí)儀器內(nèi)置的計(jì)時(shí)器工作在最佳狀態(tài)。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。移動(dòng)S2，如果計(jì)時(shí)器讀數(shù)有跳字，貝U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)連續(xù)準(zhǔn)確變化。記錄下這時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值Li、ti。則聲速C=（L-Li-1）/（ti-ti-1）。當(dāng)使用液體為介質(zhì)測(cè)試聲速時(shí)，先在測(cè)試槽中注入液體，直至把換能器完

16、全浸沒，但不能超過(guò)液面線。然后將信號(hào)源面板上的介質(zhì)選擇鍵切換至“液體”，即可進(jìn)行測(cè)試，步驟相同。6*.固體介質(zhì)中的聲速測(cè)量在固體中傳播的聲波是很復(fù)雜的，它包括縱波、橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等，而且各種聲速都與固體棒的形狀有關(guān)。金屬棒一般為各向異性結(jié)晶體，沿任何方向可有三種波傳播，只在特殊情況下為縱波。固體介質(zhì)中的聲速測(cè)量需另配專用的SV(固體測(cè)量裝置，用時(shí)差法進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)提供兩種測(cè)試介質(zhì)：塑料棒和鋁棒。每種材料有長(zhǎng)、中、短三根樣品，塑料棒的長(zhǎng)度分別為160mm120mm80mm金屬棒的長(zhǎng)度分別為180mm130mm80mm對(duì)于每種材料的固體棒，只需測(cè)兩根樣品，即可按上面的方法算出聲速：C

17、i=(Li-Li-1)/(ti-ti-1)o測(cè)量時(shí)，按圖8接線。為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量時(shí)需要在固體棒兩端面上涂上適量的耦合劑，使其接觸良好。將接收增益調(diào)到適當(dāng)位置(一般為最大位置)，以計(jì)時(shí)器不跳字為好。介質(zhì)選擇為“固體”。將固體棒放在專用支架上，轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，使兩個(gè)換能器之間的距離能夠放下固體棒，再轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，使兩換能器的端面與固體棒緊密接觸并對(duì)準(zhǔn)。提示：金屬棒的計(jì)時(shí)讀數(shù)在3355卩s之間，塑料棒的計(jì)時(shí)讀數(shù)在55110卩s為正常值，跳字或者大于這個(gè)范圍的一般是沒有接觸好。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1、自擬表格記錄所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表格要便于用逐差法求相應(yīng)位置的差值和計(jì)算入。2、以空氣介質(zhì)為例，計(jì)算出共振干涉法

18、和相位法測(cè)得的波長(zhǎng)平均值入，及其標(biāo)準(zhǔn)偏差Sx，同時(shí)考慮儀器的示值讀數(shù)誤差為0.01mm經(jīng)計(jì)算可得波長(zhǎng)的測(cè)量結(jié)果入=±厶入。3、按理論值公式VsV0.；，算出理論值VS。T07式中V0=331.45m/s為To=273.15K時(shí)的聲速，T=(t+273.15)K?；虬唇?jīng)驗(yàn)公式V=(331.45+0.59t)m/s，計(jì)算V。t為介質(zhì)溫度(C)。4、計(jì)算出通過(guò)二種方法測(cè)量的V以及V值，其中V=V-VS。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值比較，計(jì)算百分比誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因?？蓪憺樵谑覝貫镃時(shí)，用共振干涉法(相位法)測(cè)得超聲波在空氣中的傳播速度為V=±m/s，V=%Vs5、列表記錄用時(shí)差法測(cè)量

19、塑料棒及金屬棒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(1) 三根相同材質(zhì)，但不同長(zhǎng)度待測(cè)棒的長(zhǎng)度。(2) 每根測(cè)試棒所測(cè)得相對(duì)應(yīng)的時(shí)間。(3) 用逐差法求相應(yīng)的差值，然后計(jì)算出聲速，并與理論聲速傳播測(cè)量參數(shù)進(jìn)行比較，并計(jì)算百分誤差。&聲速測(cè)量值與公認(rèn)值比較(1)、空氣中聲速，按理論值公式VsVCl，求得Vso式中V0=331.45m/s為To=273.15K時(shí)的聲速，T=(t+273.15)K?；虬唇?jīng)驗(yàn)公式V=(331.45+0.59t)m/s，計(jì)算V。t為介質(zhì)溫度(C)。（2）液體中的聲速介質(zhì)溫度C）聲波速度（m/s）海水171510-1550普通水251497菜籽油30.81450變壓器油32.51425（3）固體中的縱波聲速:鋁:銅:C棒=5150m/s，C塊=6300m/sC棒=3700m/s，C塊=5000