1315聲速測定儀實驗講義

1、空氣、液體介質(zhì)的聲速測量聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機械波，頻率低于的聲波稱為次聲波；頻率在的聲波可以被人聽到，稱為可聞聲波；頻率在以上的聲波稱為超聲波。超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)因素有關。因而通過媒質(zhì)中聲速的測定，可以了解媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化。例如，測量氯氣（氣體）、蔗糖（溶液）的濃度、氯丁橡膠乳液的比重以及輸油管中不同油品的分界面，等等，這些問題都可以通過測定這些物質(zhì)中的聲速來解決?？梢?，聲速測定在工業(yè)生產(chǎn)上具有一定的實用意義。同時，通過液體中聲速的測量，了解水下聲納技術應用的基本概念?！緦嶒災康摹?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

2、涉法、相位比較法和時差法測定超聲波的傳播速度?！緦嶒炘怼吭诓▌舆^程中波速、波長和頻率之間存在著下列關系：，實驗中可通過測定聲波的波長和頻率來求得聲速。常用的方法有共振干涉法與相位比較法。聲波傳播的距離與傳播的時間存在下列關系： ，只要測出和就可測出聲波傳播的速度，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(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。對于波束1：、波束2：，當它們相交會時，疊加后的波形成波束3：，這里為聲波的角頻率，為經(jīng)過的時間，為經(jīng)過的距離。由此可見，疊加后的聲波幅度，隨距離按變化。如圖1所示。 壓電陶瓷換能器作為聲波發(fā)射器，它由信號

3、源供給頻率為數(shù)千周的交流電信號，由逆壓電效應發(fā)出一平面超聲波；而換能器則作為聲波的接收器，正壓電效應將接收到的聲壓轉(zhuǎn)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(chǎn)生的正弦波形。聲源發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到，在接收聲波信號的同時反射部分聲波信號，如果接收面（）與發(fā)射面（）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處的振動情況。移動位置（即改變與之間的距離），你從示波器顯示上會發(fā)現(xiàn)當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之間（或二相鄰的振幅最小

4、值的位置之間）的距離均為。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，緩慢的改變和之間的距離。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移動過的距離亦為。超聲換能器至之間的距離的改變可通過轉(zhuǎn)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的位置變化及聲波頻率以后，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:聲源發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場，聲場在介質(zhì)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： 距聲源處接收到的振動為：

5、 兩處振動的相位差： 當把和的信號分別輸入到示波器軸和軸，那么當即時，合振動為一斜率為正的直線，當，即時，合振動為一斜率為負的直線，當為其它值時，合成振動為橢圓（如圖2）?！緦嶒瀮x器】實驗儀器采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的型聲速測定儀及型聲速測定專用信號源各一臺。其外形結構見圖4。型聲速測量組合儀適用于空氣、液體介質(zhì)聲速測定使用；組合儀主要由儲液槽、傳動機構、數(shù)顯標尺、壓電換能器等組成。壓電換能器供測量氣體和液體聲速用。作為發(fā)射超聲波用的換能器 固定在儲液槽的左邊，另一只接收超聲波用的接收換能器裝在可移動滑塊上。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。發(fā)射換能

6、器超聲波的正弦電壓信號由聲速測定專用信號源供給，換能器把接收到的超聲波聲壓轉(zhuǎn)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。【實驗內(nèi)容】一聲速測量系統(tǒng)的連接聲速測量時：專用信號源、型測定儀、示波器之間，連接方法見圖5。 二諧振頻率的調(diào)節(jié) 根據(jù)測量要求初步調(diào)節(jié)好示波器。將專用信號源輸出的正弦信號頻率調(diào)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(zhuǎn)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(diào)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

7、壓在左右，然后將換能器的接收信號接至示波器，調(diào)整信號頻率，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（之間，因不同的換能器或介質(zhì)而異）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器、相匹配頻率點，記錄此頻率 。3改變、的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調(diào)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。共測次取平均頻率。三共振干涉法、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(nèi)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；記下位置 。然后，向著同方向轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪

8、，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)生相移），逐個記下振幅最大的，共10個點，單次測量的波長 。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“”，發(fā)射波接到“”外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“”，發(fā)射波接到“”，打到“” 顯示方式，適當調(diào)節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記下的位置，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，這時來自接收換能器的振動波形發(fā)生了相移。依次記下

9、示波器屏上斜率負、正變化的直線出現(xiàn)的對應位置，。單次波長 。多次測定用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長。3干涉法、相位法的聲速計算：已知波長和平均頻率（頻率由聲速測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀出），則聲速 由于聲速還與介質(zhì)溫度有關，故請記下介質(zhì)溫度 ?！緮?shù)據(jù)處理】1自擬表格記錄所有的實驗數(shù)據(jù)，表格要便于用逐差法求相應位置的差值和計算。（下表供參考）ili（cm）i+10li+10（cm）（cm）11121210202以空氣介質(zhì)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，同時考慮儀器的示值讀數(shù)誤差為。經(jīng)計算可得波長的測量結果。3按理論值公式 ，算出理論值 。式中為時的聲速，。 4計

10、算出通過二種方法測量的以及值，其中 。將實驗結果與理論值比較，計算百分比誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因。可寫為在室溫為 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 ± ，= 【思考題】1聲速測量中共振干涉法、相位法、時差法有何異同？2為什么要在諧振頻率條件下進行聲速測量？如何調(diào)節(jié)和判斷測量系統(tǒng)是否處于諧振狀態(tài)？3為什么發(fā)射換能器的發(fā)射面與接收換能器的接收面要保持互相平行？ 4聲音在不同介質(zhì)中傳播有何區(qū)別？聲速為什么會不同？【附錄一】超聲波的發(fā)射與接收壓電換能器壓電陶瓷超聲換能器能實現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。壓電換能器做波源具有平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時，由于頻率在

11、超聲范圍內(nèi)，一般的音頻對它沒有干擾。頻率提高，波長就短，在不長的距離中可測到許多個，取其平均值，的測定就比較準確。這些都可使實驗的精度大大提高。壓電換能器的結構示意圖見圖6 。壓電換能器由壓電陶瓷片和輕、重兩種金屬組成。壓電陶瓷片（如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等）是由一種多晶結構的壓電材料做成，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后，具有壓電效應。在簡單情況下，壓電材料受到與極化方向一致的應力時，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場強度，它們之間有一簡單的線性關系；反之，當與極化方向一致的外加電壓加在壓電材料上時，材料的伸縮形變與電壓也有線性關系。比例常數(shù)稱為壓電常數(shù)，與材料性質(zhì)有關。由于之間具有簡單的線性關系，因此我們可以將正弦交流電信號轉(zhuǎn)變成壓電材料縱向長度的伸縮，成為聲波的聲源，同樣也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，用來接收聲信號。在壓電陶瓷片的頭尾兩端膠粘兩塊金屬，組成夾心形振子。頭部用輕金屬做成喇叭型，尾