超聲聲速儀測聲速

1、超聲聲速儀測聲速第1頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三有關(guān)聲波研究的應(yīng)用和發(fā)展1、聲音與我們的生活2、聲速測量的目的 3、聲速測量的發(fā)展第2頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三1、聲音與我們的生活 自然界中充滿了各種各樣的聲音：收音機(jī)里播放的悅耳音樂聲，飛機(jī)掠過長空時擾人的噪聲，狂風(fēng)的呼嘯聲，海禱 的怒吼聲，爽朗的歡笑聲，歡暢的交談聲，等等，在日常生 活中處處都可以聽到?？梢娐曇襞c我們的生活是密切相關(guān)的。 人類對聲學(xué)的研究最早可以追溯到公元前580年埃及人畢達(dá) 哥拉斯。 而古希臘人亞里士多德接觸到聲學(xué)理論，他持有關(guān)于空氣的運(yùn)動性質(zhì)構(gòu)成聲音的正確思想

2、，并且他還知道，如果管的長度加倍，則管內(nèi)的振動就要花兩倍的時間。第3頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 今天人們對聲音的研究，從語音聲學(xué)、生理聲學(xué)、建筑聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、水聲學(xué)、超聲學(xué)等等，遍及各個領(lǐng)域。 牛頓在他的原理中對聲速作了理論推導(dǎo)，但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與此并不相符，牛頓推測了實(shí)驗(yàn)值和理論值之間不一致的原因。但是，真正的解釋是在過了一個世紀(jì)之后由拉普拉斯(17491827)做的。 牛頓沒有考慮到由于壓縮變熱和稀疏致冷引起的彈性變化。 特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在0.0001赫茲至20赫茲之間的波。雖然我們的耳朵聽不見它，在我們周圍由自然和人工產(chǎn)生的次聲波也很

3、多。第4頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三如火山爆發(fā)、地震、流星爆炸、極光、雷電、磁暴、臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、晴空湍流、風(fēng)暴、海浪、電離層擾動、核爆炸、火箭發(fā)射、大炮、化學(xué)爆炸、飛機(jī)、火車、高速行駛中的汽車、某些大型工廠、高樓、風(fēng)吹過高山等等，都會在一定的條件產(chǎn)生次聲波。雖然早在上百年前就首次記錄到了次聲波，可是人們次對聲的認(rèn)識卻沒有多大進(jìn)展。到近二十年來，科學(xué)技術(shù)有了飛躍的發(fā)展，人們對自然界中次聲現(xiàn)象及次聲傳播規(guī)律的認(rèn)識才有了較大提高第5頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 它的應(yīng)用前景是很廣闊的，大致可分為下列幾個方面：預(yù)測自然災(zāi)害性事件；通過測定次聲

4、波受大氣其他波動的影響結(jié)果 ；探測氣象運(yùn)動的性質(zhì)和規(guī)律；生物學(xué)以及核爆炸、火箭發(fā)射的影響等。 第6頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三2、聲速測量的目的 聲學(xué)測量和分析是人們認(rèn)識聲學(xué)問題本質(zhì)的一種手段。通過必要的測量和分析可以對聲學(xué)有定量概念，從而了解其規(guī)律性。 聲學(xué)測量通常是指先用電聲(或機(jī)電)換能器把聲波(或振動)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，然后用電子儀表放大到一定的電壓，再進(jìn)行測量與分析的技術(shù)以及有關(guān)聲學(xué)儀器的工作原理 第7頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三3、聲速測量的發(fā)展 二十世紀(jì)以來，聲學(xué)測量技術(shù)發(fā)展很快目前 聲學(xué)儀器有較大發(fā)展，并具有高保真度

5、，如寬的頻 范圍和動態(tài)范圍，小的非線性畸變和良好的瞬態(tài)響 應(yīng)等。 過去，測量聲波和振動的儀表都是模擬式電子儀表，測量的速度和準(zhǔn)確度受到一定的限制。六十年代初。出現(xiàn)了數(shù)字式儀表，直接采用數(shù)字顯示，提高了測量時讀數(shù)的準(zhǔn)確度。 由于計(jì)算技術(shù)和高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路的發(fā)展，人們已能用由微處理機(jī)控制的自動測量代替逐點(diǎn)測量，使許多需要事后計(jì)算的聲學(xué)測量和分析工作可以用微計(jì)算機(jī)實(shí)時運(yùn)算。第8頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 以微處理機(jī)為中心的測量儀器，不但實(shí)現(xiàn)了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時分析。同時也出現(xiàn)了一些新的聲學(xué)測量和分析方法，例如實(shí)時

6、頻譜分析，聲強(qiáng)測量，聲源鑒別，瞬態(tài)信號分析，相關(guān)分析等。 今后聲學(xué)測量的任務(wù)是采用新的測量技術(shù)，提出新的測量力法，使用自動化數(shù)字式儀器，以提高測量的淮確度和速度。 第9頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 回顧歷史，可以看到，在發(fā)展經(jīng)典聲學(xué)的 過程中，許多研究工作是直接用人耳來聽聲音的。直到本世紀(jì)，發(fā)展了無線電電子學(xué)，才使聲波的測量采用了電聲換能器和電子測量儀器。 高性能的測量傳聲器、頻譜分祈儀和聲級記 錄器實(shí)現(xiàn)了聲信號的聲壓級測量，頻譜分析和聲情號特性的自動記錄；從而可以測量各種不同頻率、不同強(qiáng)度和波形的聲波，擴(kuò)展了聲學(xué)的研究范圍，促進(jìn)了近代聲學(xué)的發(fā)展?？梢云谕?，計(jì)算技

7、術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微計(jì)算機(jī)和微處理機(jī)在聲學(xué)工作中的應(yīng)用，必將促使近代聲學(xué)進(jìn)一步發(fā)展 第10頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 實(shí) 驗(yàn) 目 的 1、學(xué)習(xí)用共振干涉法和相位比較法測定空氣 中的聲速。加深對共振、振動合成、波的 干涉等理論2、了解壓電換能器的功能及超聲波 的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接受原 理3、熟悉低頻信號函數(shù)發(fā)生器、模擬 示波器的使用使用方法。第11頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三三、聲速的測量原理1. 振幅法 一、聲速的特點(diǎn)二、實(shí)驗(yàn)原理2. 相位法 第12頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三四、實(shí)驗(yàn)儀器五、

8、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.聲速測量儀2.壓電傳感器3.模擬示波器4.函數(shù)信號信號發(fā)生器六、數(shù)據(jù)處理第13頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三一、聲速的特點(diǎn) 頻率在2020000Hz的聲振動在彈性媒質(zhì)中所激起的縱波稱聲波。聲波是一種機(jī)械波。頻率超過20000Hz的聲波稱為超聲波。聲波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。 聲波在空氣中的傳播速度與聲波的頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)，因此有-絕熱系數(shù)，R-摩爾氣體常數(shù)，-空氣分子的摩爾質(zhì)量，T-絕對溫度第14頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 由此可見，氣體中的聲速 v 和溫度 T 有關(guān)，還與比熱比 及摩爾

9、質(zhì)量 有關(guān)，后兩個因素與氣體成分有關(guān)。因此，根據(jù)測定出的聲速還可以推算出氣體的一些參量。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0 oC時，聲速為 vo331.45ms，顯然在 t oC時，干燥空氣中聲速的理論值應(yīng)為 由此我們也可以想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是不同的 。 第15頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三二、實(shí)驗(yàn)原理 本實(shí)驗(yàn)是對超聲波波速的測量。測量聲速最簡單、最有效的方法之一是利用聲速v 、振動頻率 f 和波長 之間的基本關(guān)系，即 v=f 測出聲振動頻率 f 和聲波的波長 ，就可算出聲波的波速 v。當(dāng)然這僅僅是一種最簡便的近似測量。 實(shí)驗(yàn)室中常利用，用共振干涉法、相位法比較法測定

10、波長 ，由函數(shù)發(fā)生器或示波器直接讀出頻率 f。 第16頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三1.共振干涉法 三、測量原理 位移S2S1聲壓第17頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 s1和s2為壓電陶瓷超聲換能器，s1作為超聲源（發(fā)射頭），信號源發(fā)出的正弦電壓信號接到換能器s1后，即能發(fā)出一平面聲波。s2作為超聲波的接收頭，接收的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號后輸入示波器觀察，s2在接收超聲波的同時還反射一部分超聲波。這樣，由s1發(fā)出的超聲波和由s2反射的超聲波在s1、s2之間的區(qū)域干涉而形成駐波。改變s1、s2之間的距離，在一系列特定的位置上，接收面s2上的聲壓達(dá)

11、到極大值，可以證明：相鄰兩極大值之間的距離為半波長。第18頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 為了測出駐波相鄰波腹或相鄰波節(jié)之間的半波長距離，可改變s1和s2之間的距離，此時，可以看到示波器上顯示的信號幅度發(fā)生周期性的大小變化，即由一個極大變到極小，再變到極大，而幅度每一次周期性的變化，就相當(dāng)于s1、s2之間的距離改變了。s1、s2之間距離的改變由游標(biāo)尺測得。由信號源可讀出超聲源的頻率f，這樣就可計(jì)算出聲速v。第19頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三2. 相位法 波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點(diǎn)，其振動狀態(tài)相同(同

12、相: 相位差為0)或者說其相位差為2的整數(shù)倍時兩點(diǎn)間的距離應(yīng)等于波長的整數(shù)倍，即 l = n (n為一正整數(shù)) 利用這個公式可測量波長。第20頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三相位法又可分為行波法和李薩如圖形法。(1)行波法 將發(fā)射信號和接收信號同時輸入到示波器，此時示波器上同時顯示的發(fā)送和接收電信號。當(dāng)改變兩個換能器之間的距離時，發(fā)送信號不變，而接收電信號（正弦波）的幅值和位置均發(fā)生變化，當(dāng)接收電信號的位置與發(fā)射信號的位置前后兩次重合時接收器走過的距離，就是信號的波長。第21頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三(2)李薩如圖法 從s1發(fā)出的超聲波

13、通過媒質(zhì)達(dá)到接收頭s2，在發(fā)射波和接收波之間產(chǎn)生相位差，此相位差和角頻率（=2f）、傳播時間、聲速v、距離l、波長之間有下列關(guān)系： 由上式可知，若要使相位差改變2，那么， s1和s2的間距l(xiāng)就要相應(yīng)地改變一個波長 。于是，根據(jù)相位差的2變化，便可以測量出波長來。聲波頻率由信號源讀出，根據(jù)上式便可算出聲速。 （第22頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 我們可以通過示波器來觀察相位差。互相垂直的兩個諧振動的合成，能得到李薩如圖形。如果兩個諧振動的頻率相同，則李薩如圖形就很簡單。隨著兩個振動的相位差從0變化，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。選擇判斷比較靈敏的

14、亦即李薩如圖形為直線的位置作為測量的起點(diǎn)。每移動一個波長的距離就會重復(fù)出現(xiàn)同樣斜率。第23頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三用李薩如圖形觀測相位的變化 兩個同斜率直線所對應(yīng)的傳感器間距為一個波長 。 第24頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三四、實(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)使用的儀器主要有：聲速測量儀、 函數(shù)發(fā)生器和示波器。 聲速測量儀由：超聲壓電陶瓷換能器、帶有標(biāo)尺的底座和讀數(shù)裝置構(gòu)成，用來作聲壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換，以及波長的測量。 函數(shù)發(fā)生器用來產(chǎn)生超聲波； 示波器用來觀察超聲波的振幅、相位和頻率。第25頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星

15、期三讀數(shù)裝置壓電陶瓷換能器底座第26頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三傳感器及它的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 傳感器是物理實(shí)驗(yàn)中常用的間接測量元件。本實(shí)驗(yàn)中使用的傳感器是由壓電陶瓷片構(gòu)成的，其中一個是用來產(chǎn)生機(jī)械振動并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個用來接收振動，同時電輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。第27頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷超聲換能器來實(shí)現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。壓電換能器做波源具平面性、單色性好以及方向性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時，由于頻率在超聲范圍內(nèi)，一般的音頻對它無干擾。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，的測定較準(zhǔn)確。這些

16、都可使實(shí)驗(yàn)的精度大大提高。 壓電陶瓷超聲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(jié)構(gòu)的壓電材料做成的，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后，具有壓電效應(yīng)。第28頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 反之，當(dāng)與極化方向一致的外加電壓U加在壓電材料上時，材料的伸縮形變S與電壓U也有線性關(guān)系S=dU。比例常數(shù)g、d稱為壓電常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)。由于E、T、S、U之間具有簡單的線性關(guān)系，因此我們就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，成為聲波的波源，同樣也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓脕斫邮章曅盘枴?在簡單情況下，壓電材料受到與

17、極化方向一致的應(yīng)力T時，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場強(qiáng)度E，它們之間有一簡單的線性關(guān)系E=gT；第29頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 在壓電陶瓷片的頭尾兩端膠粘兩塊金屬，組成夾心型振子。頭部用輕金屬做成喇叭型，尾部用重金屬做成錐型或柱型，中部為壓電陶瓷圓環(huán)，緊固螺釘穿過環(huán)中心。這種結(jié)構(gòu)增大了輻射面積，增強(qiáng)了振子與介質(zhì)的耦合作用，由于振子是以縱向長度的伸縮直接 影響頭部輕金屬作同樣的縱向長度伸縮（對尾部重金屬作用?。?，這樣所發(fā)射的波方向性強(qiáng)，平面性好。第30頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外殼第31頁

18、，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三開關(guān)顯示屏第二通道第一通道一通道放大、衰減器二通道放大、衰減器時基掃描 聚焦輝度第32頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三第33頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三頻率調(diào)節(jié)頻率范圍選擇信號輸出函數(shù)選擇開關(guān)信號發(fā)生器第34頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2、利用共振駐波法測量聲速3、利用行波法測量聲速4、利用李薩如圖法測量聲速1、諧振頻率的調(diào)整第35頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三1、諧振頻率的調(diào)整改變信號發(fā)生器的頻率時，看到第36頁，共42頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期三2、利用共振駐波法測量聲速 將換能器的接收端接入示波器的CH1通道，當(dāng)改變