实验3-5声速的测量.doc

1、实验 3-5 声速的测量声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，由于其振动方向与传播方向一致，故声波是纵波。振动频率在 的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超过20HzK的声波称为超声波。对于声波特性的测量（如频率、波速、波长、声压衰减和相20Kz位等）是声学应用技术中的一个重要内容，特别是声波波速（简称声速）的测量，在无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等应用中具有重要的意义。如测量氯气等气体或蔗糖溶液的浓度、橡胶乳液的密度以及测定输油管中不同油品的分界面等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。声速的测量方法可分为两类；第一类方法是根据关系式

2、，测出传播距离 和所需时间 后，/LtvLt即可算出声速 ；第二类方法是利用关系式 ，从测量其频率 和波长 来算出声vf=f速 .本实验所采用的共振干涉法和相位比较法属于后者，时差法则属于前者。声 速 与 声 波 的 频 率 无 关 ， 只 决 定 于 弹 性 介 质 的 性 质 。 由于超声波具有波长短、易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。对声速这一非电量的测量本实验是利用压电陶瓷换能器来进行。【 实 验 目 的 】学会用共振干涉法和相位法测量空气中的声速；学会使用示波器和信号发生器；加强对驻波及振动合成等理论的理解。【预习思考题】实验中是如何获得超声波的？驻

3、波法和相位法测声速的方法有何异同？【 实 验 原 理 】声波的传播速度与其频率和波长的关系为 （3-5-1）fv=测得声波的频率和波长，就可得到声速。同样，传播速度亦可用 表示，若测得声波传播所经过的距离 和传播时间 ，/LtLt也可求得声速。1 超 声 波 与 压 电 陶 瓷 换 能 器超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确地测出声速。本实验超声波的发射和接收采用的是压电陶瓷制成的换能器（探头），它利用压电效应和磁致伸缩效应可以在机械振动与交流电压之间双向换能。声 速 测 量 的 实 验 中 采 用 超 声 波 频

4、 率 一 般 都 在之 间 。 在 此 频 率 范 围 内 ， 采 用 压 电 陶 瓷 换 能 器 作 为 声 波 的 发 射 器 、 接206KHz收 器 效 果 最 佳 。压 电 陶 瓷 换 能 器 结 构 如 图 3-5-1所 示 。 头 部 用 轻 金 属 做 成 喇 叭 形 ， 尾 部 用 重 金 属 做成 柱 形 ， 中 部 为 压 电 陶 瓷 圆 环 ， 螺 钉 穿 过 圆 环 的 中 心 。 这 种 结 构 增 大 了 辐 射 面 积 。 振 子纵 向 长 度 的 伸 缩 直 接 影 响 头 部 轻 金 属 ， 发 射 的 波 有 较 好 的 方 向 性 和 平 面 性 。图3

5、-5-1 纵向换能器的结构简图2 共 振 干 涉 法 （ 驻 波 法 ） 测 量 声 速实验装置如图3-5-2 所示，图中 和 为压电晶体换能器， 作为超声波源，低频1S21S信号发生器输出的交流电信号接入换能器后，产生逆压电效应而发出一近似平面超声波。为超声波接收器， 在 接 收 声 波 的 同 时 还 能 反 射 一 部 分 超 声 波 ， 反射波与入射波为2S2S相干波，形 成 驻 波 。图3-5-2 声速测量实验装置图当 两 个 换 能 器 之 间 的 距 离 等 于 半 波 长 的 整 数 倍 时 ， 来回声波的波峰与波峰、波谷与波谷正好重叠，产 生 驻 波 现 象 ， 波 幅 达

6、到 极 大 。 从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值。设 沿 x方 向 入 射 波 方 程 为 12cos()Atx反 射 波 方 程 为 2入 射 波 与 反 射 波 相 干 叠 加 ， 合 成 驻 波 (3-5-2)12=+cos)Axt（当 时，振幅最大，称为波腹。对应在 ， 位置上；2cos=1x=2n1,当 时，振幅最小，称为波节。对应在 ， 位置上；0 )4x（ =,2由 上 述 讨 论 可 以 知 道 ： 任 何 两 相 邻 的 波 腹 或 波 节 间 的 距 离 均 为 .2当 信 号 发 生 器 的 策 动 频 率 等 于 驻 波 系 统 的 固 有 频 率 时 ， 系

7、统 的 振 幅 最 大 ， 即 发 生 驻波 共 振 ， 声 波 波 腹 处 的 振 幅 达 到 最 大 值 。 当 驻 波 系 统 偏 离 共 振 状 态 时 ， 驻 波 的 波 形 不 稳定 ， 且 声 波 波 腹 的 振 幅 比 最 大 值 要 小 很 多 。缓 慢 的 改 变 和 之 间 的 距 离 ， 在 示 波 器 屏 上 所 显 示 的 波 形 幅 值 发 生 周 期 性 的 变1S2化 ， 即 由 一 个 极 大 值 变 到 极 小 ， 再 变 到 极 大 。 在 一 系 列 特 定 的 位 置 上 ， 形 成 驻 波 ， 示波 器 上 可 观 察 到 信 号 幅 度 较 大

8、。 在 幅 度 较 大 时 ， 在 调 节 信 号 发 生 器 的 频 率 ， 找 到 信 号 幅度 最 大 的 驻 波 共 振 状 态 。 移 动 的 过 程 中 可 以 观 察 到 一 系 列 的 共 振 态 。 任 意 两 个 相 邻2S极 大 值 之 间 移 动 的 距 离 皆 为 半 波 长 。 若 从 第 个 共 振 状 态 变 化 到 第 个 共 振 状 态2Sn1n时 ， 移 动 的 距 离 为 ， 则L(1)2f在 连 续 多 次 测 量 相 隔 半 波 长 的 的 位 置 变 化 ， 可 得 超 声 波 波 长 ， 从 频 率 仪 上 读 出2S超 声 波 频 率 以 后

9、， 即 可 算 出 声 速 。f3. 相 位 比 较 法 （ 行 波 法 ） 测 量 原 理实验装置如图 3-5-2 所示，从 发出的超声波通过媒质传到接收器 ，接收器和发1S2S射器之间产生了相位差：(3-5-2)2由 上 式 可 知 ， 每 改 变 一 个 波 长 ， 相 位 差 就 变 化 ， 通 过 观 察 相 位 差 的 变 化L， 便 可 测 出 。 将 发 射 器 和 接 收 器 的 正 弦 电 压 信 号 分 别 输 入 到 示 波 器 的 CH1和1S2CH2通 道 ， 在 屏 上 便 显 示 出 频 率 为 1:1的 李 萨 如 图 形 。 改 变 L时 ， 两 个 谐 振

10、 动 的 相 位 差 从0 ， 图 形 就 从 斜 率 为 正 的 直 线 变 为 椭 圆 ， 再 变 到 斜 率 为 负 的 直 线 ； 位 相 差 再 由 0， 图 形 又 从 斜 率 为 负 曲 线 变 为 椭 圆 ， 再 变 回 斜 率 为 正 的 直 线 ， 如 图 3-5-3所 示 。 为了 便 于 判 断 ， 选 择 李 萨 如 图 为 直 线 时 作 为 测 量 的 起 点 ， 移 动 ， 当 变 化 一 个 波 长 时 ，2SL就 会 重 复 出 现 同 样 斜 率 的 直 线 。 读 出 移 过 的 距 离 ， 就 测 出 了 超 声 波 的 波 长 。图 3-5-3 用

11、李 萨 如 图 观 察 相 位 变 化4. 时 差 法 测 量 原 理时 差 法 测 量 声 速 的 基 本 原 理 是 基 于 .发 射 换 能 器 定 时 发 出 一 个 声 脉 冲 ， 经Ltv1S声 波 在 介 质 中 传 播 ， 经 过 时 间 后 ， 到 达 距 离 处 的 接 收 换 能 器 。 由 高 精 度 计 时 电 路 得t到 声 波 从 发 出 到 接 收 在 媒 质 中 传 播 的 时 间 ， 并 由 声 速 测 试 仪 信 号 源 时 间 显 示 窗 口 直 接 读出 ， 声 波 传 播 的 距 离 由 数 显 表 头 记 录 ， 从 而 计 算 出 声 波 在 媒

12、 质 中 的 传 播 速 度 。【 实 验 仪 器 】SV-DH系 列 声 速 测 试 仪 是 由 声 速 测 试 仪 测 试 架 和 声 速 测 试 仪 信 号 源 二 个 部 分 组 成 。1 声 速 测 试 仪 测 试 架图 3-5-4 超声波声速测试仪测 试 架 结构2 测 试 仪 专 用 信 号 源图 3-5-5 声 速 测 试 仪 信 号 源 面 板信 号 频 率 ： 调 节 输 出 信 号 的 频 率 ；发 射 强 度 ： 调 节 输 出 信 号 电 功 率 （ 输 出 电 压 ） ， 仅 连 续 波 有 效 。接 收 增 益 ： 调 节 仪 器 内 部 的 接 收 增 益 。【

13、实验内容及步骤】1. 驻 波 法 测 量 声 速（ 1） 电 路 连 接 与 仪 器 调 整 仪 器 使 用 前 ， 加 电 开 机 预 热 15分 钟 ， 在 接 通 市 电 后 ， 自 动 工 作 在 连 续 波 方 式 。 如 图 3-5-2所 示 ， 信 号 源 面 板 上 的 发 射 端 换 能 器 接 口 ， 用 于 输 出 一 定 频 率 的 功1S率 信 号 ， 请 接 至 测 试 架 的 发 射 换 能 器 ； 信 号 源 面 板 上 的 发 射 端 的 发 射 波 形 ， 请 接1S 1Y至 双 踪 示 波 器 的 CH1（ Y1） ， 用 于 观 察 发 射 波 形 ；

14、接 收 换 能 器 的 输 出 接 至 示 波 器 的2CH2（ Y2） .（ 2） 测 定 压 电 陶 瓷 换 能 器 的 频 率 工 作 点 将信号发生器输出频率调至谐振频率附近（ 之间），移动 ，示 波34z0KH2S器 显 示 正 弦 波 振 幅 的 变 化 ， 移 动 到 振 幅 较 大 处 ， 固 定 ， 再 仔 细 调 节 频率，使图形幅2S度达到最大，此频率即是压电换能器相匹配的一个谐 振 工作点，由 信 号 源 频 率 显 示 窗 口 直接 读 出 频率。（ 3） 测 量在 谐 振 频 率 下 ， 将 测 试 方 法 设 置 到 连 续 波 方 式 ， 选 择 合 适 的 发

15、 射 强 度 。 转 动 鼓 轮 ，记 录 下 幅 度 为 最 大 时 的 距 离 ， 再 向 前 或 者 向 后 （ 必 须 是 一 个 方 向 ） 移 动 距 离 ， 当 接 收 波经 变 小 后 再 到 最 大 时 ， 记 录 下 此 时 的 距 离 ， 并 进 行 多 次 测 定 ， 将所采集的数据填于表iL3-5-1中。2 相 位 法 （ 李 萨 茹 图 法 ） 测 量 声 速将 测 试 方 法 设 置 到 连 续 波 方 式 ， 选 择 合 适 的 发 射 强 度 。 将 示 波 器 打 到 “X-Y”方 式 ，选 择 合 适 的 示 波 器 通 道 增 益 ， 示 波 器 显 示

16、 李 萨 茹 如 图 形 。 转 动 鼓 轮 ， 移 动 ， 使 李 萨2S茹 如 图 显 示 的 椭 圆 变 为 一 定 角 度 的 一 条 斜 线 ， 记 录 下 此 时 的 距 离 。 再 向 前 或 者 向 后1iL（ 必 须 是 一 个 方 向 ） 移 动 距 离 ， 使 观 察 到 的 波 形 又 回 到 前 面 所 说 的 特 定 角 度 的 斜 线 ， 这时 接 收 波 的 相 位 变 化 ， 记 录 下 此 时 的 距 离 ， 多 次 测 定 ， 将所采集的数据填于表3-2iL5-2中。3时 差 法 测 量 声 速 （ 选 做 ）使 用 空 气 为 介 质 测 试 声 速 ，

17、 按 图3-5-2进 行 接 线 ， 这 时 示 波 器 的 、 通 道 分 别 用1Y2于 观 察 发 射 和 接 收 波 形 。 为 了 避 免 连 续 波 可 能 带 来 的 干 扰 ， 可 以 将 连 续 波 频 率 调 离 换 能器 谐 振 点 。 将 测 试 方 法 设 置 到 脉 冲 波 方 式 ， 选 择 合 适 的 脉 冲 发 射 强 度 。 将 移 动 到 离2S开 一 定 距 离 （ 50mm） ， 选 择 合 适 的 接 收 增 益 ， 使 显 示 的 时 间 差 值 读 数 稳 定 。 然 后 记1S录 此 时 的 距 离 值 和 信 号 源 计 时 器 显 示 的

18、时 间 值 、 .移 动 ， 记 录 多 次 测 量 的 距 离1iLit2值 和 显 示 的 时 间 值 、 （ 数 据 记 录 表格自拟） ， 将所采集的数据填于自拟的表格中。iLt4注意事项测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，以避免空程误差；电源接通时，两超声换能器不得接触；在 距 离 50mm时 ,在 一 定 的 位 置 上 ， 示 波 器 上 看 到 的 波 形 可 能 会 产 生 “拖 尾 ”，这 时 显 示 的 时 间 值 很 小 。 这 是 由 于 距 离 较 近 时 ， 声 波 的 强 度 较 大 ， 反 射 波 引 起 的 共 振 在下 一 个 测 量 周 期 到 来 时 未

19、 能 完 全 衰 减 而 产 生 的 。 调 小 接 收 增 益 ,可 去 掉 “拖 尾 ”,在 较近 的 距 离 范 围 内 也 能 得 到 稳 定 的 声 速 值 。 由 于 空 气 中 的 超 声 波 衰 减 较 大 ， 在 较 长 距 离 内 测 量 时 ， 接 收 波 会 有 明 显 的 衰 减 ，这 可 能 会 带 来 计 时 器 读 数 有 跳 字 ， 这 时 应 微 调 （ 距 离 增 大 时 ， 顺 时 针 调 节 ； 距 离 减 小 时 ，逆 时 针 调 节 ） 接 收 增 益 ， 使 计 时 器 读 数 在 移 动 时 连 续 准 确 变 化 。 可 以 将 接 收 换

20、能 器2S先 调 到 远 离 发 射 换 能 器 的 一 端 ， 并 将 接 收 增 益 调 至 最 大 ， 这 时 计 时 器 有 相 应 的 读 数 。 由远 到 近 调 节 接 收 换 能 器 ， 这 时 计 时 器 读 数 将 变 小 ； 随 着 距 离 的 变 近 ， 接 收 波 的 幅 度 逐 渐变 大 ， 在 某 一 位 置 ， 计 时 器 读 数 如 果 有 跳 字 ， 就 逆 时 针 方 向 微 调 接 收 增 益 旋 钮 ， 使 计 时器 的 计 时 读 数 连 续 准 确 变 化 ， 就 可 准 确 测 得 计 时 值 。【数据处理与分析】1. 驻 波 法测 量 声 速表

21、 3-5-1 驻 波 法 测 量 声 速 实 验 数 据 记 录 表 （ 声 波 频 率 介 质 温 度 ）_HzfK_tn1 2 3 4 5 6 7 8(m)iL 用 逐 差 法 处理实验数据，给出声 波 波长 、 声 速 的测量结果。v按理论公式 ，算出理论值 。0sTvs式中 ，为 时的声速， 。103.450273.15K(273.15)KTt将测量结果与理论值 进行比较。sv2. 相 位 法 测 量 声 速表 3-5-2 相 位 法 测 量 声 速 实 验 数 据 记 录 表 （ 声 波 频 率 介 质 温 度 ）_HzfK_tn1 2 3 4 5 6 7 8(m)iL用 逐 差 法 处理数据，给出测量结果， 并 与理论值 进行比较。sV【课后讨论】声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？声音在不同介质中传播有何区别？声速为什么会不同？（邵江华）