聲速測定試驗報告

本文格式為Word版，下載可任意編輯——聲速測定試驗報告試驗序號：28試驗時間：2023·11·8班級：

試驗題目：聲速測定試驗室：姓名：學號：成績：指導教師

1．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．學習用共振干擾法、相位比較法和時差法測定超聲波的傳播速度。

3．通過用時差法對多種介質(zhì)的測量，了解聲納技術的原理及其重要的實用意義。

在波動過程中波速V、波長?和頻率f之間存在著以下關系：V?f??，試驗中可通過測定聲波的波長?和頻率f來求得聲速V。常用的方法有共振干擾法與相位比較法。

聲波傳播的距離L與傳播的時間t存在以下關系：L?V?t，只要測出L和t就可測出聲波傳播的速度V，這就是時差法測量聲速的原理。1．共振干擾法（駐波法）測量聲速的原理：

當二束幅度一致，方向相反的聲波相交時，產(chǎn)生干擾現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。對于波束1：時，疊加后的波形成波束3：F3?2A?cos?2??X/???cos?t，這里?為聲波的角頻率，t為經(jīng)過的時間，X為經(jīng)過的距離。由此可見，疊加后的聲波幅度，隨距離按

F1?A?cos(?t?2??X/?)、波束2：F2?A?cos??t?2??X/??，當它們相交會

cos?2??X/??變化。如圖28.1所示。壓電陶瓷換能器S1作為聲波發(fā)射器，它由信號

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S2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S1發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到S2，在接收聲波信號的同時反射部分聲波信號，假使接收面（S2）與發(fā)射面（S1）嚴格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與發(fā)射波相干擾形成駐波。我們在示波器上觀測到的實際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器S2處的振動狀況。移動S2位置（即改變S1與S2之間的距離），你從示波器顯示上會發(fā)現(xiàn)當S2在某些位置時振幅有最小值或最大值。根據(jù)波的干擾理論可以知道：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?/2。為測量聲波的波長，可以在一邊觀測示波器上聲壓振幅值的同時，緩

圖28.1共振干擾法原理圖

慢的改變S1和S2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S2移動過的距離亦為?/2。超聲換能器S2至S1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)屢屢測量相隔半波長的S2的位置變化及聲波頻率f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S1發(fā)出聲波后，在其周邊形成聲場，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：F1?F01?cos?t距聲源X處S2接收到的振動為：F2?F02?cos?(t?X)Y兩處振動的相位差：????XY當把S1和S2的信號分別輸入到示波器X軸和Y軸，那么當X?n??即???2n?時，合振動為一斜率為正的直線，當X??2n?1??/2，即????2n?1??時，合振動

為一斜率為負的直線，當X為其它值時，合成振動為橢圓（如圖28.2）。

圖28.2接收信號與發(fā)射信號形成李薩如圖3．時差法測量原理

以上二種方法測聲速，是用示波器觀測波谷和波峰，或觀測二個波的相位差，原理是正確的，但存在讀數(shù)誤差。較確切測量聲速的方法是采用聲波時差法，時差法在工程中得到了廣泛的應用。它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號加到發(fā)射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過時間t后，到達距離為L處的接收換能器，那么可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度，速度為V?L/t。

圖28.3相位法原理圖

試驗儀器采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的SV6型聲速測量組合儀及SV5型聲速測定專用信號源各一臺，其外形結(jié)構(gòu)見圖28.4。

圖28.4SV6型聲速測量組合儀實物照片

組合儀主要由儲液槽、傳動機構(gòu)、數(shù)顯標尺、兩副壓電換能器等組成。儲液槽中的壓電換能器供測量液體聲速用，另一副換能器供測量空氣及固體聲速用。作為發(fā)射超聲波用的換能器S1固定在儲液槽的左邊，另一只接收超聲波用的接收換能器S2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(gòu)同步行進，并由數(shù)顯表頭顯示位移的距離。

S1發(fā)射換能器超聲波的正弦電壓信號由SV5聲速測定專用信號源供給，換能器S2把接收到的超聲波聲壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，用示波器觀測；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。

試驗時用戶需自備示波器一臺；300mm游標卡尺一把，用于測量固體棒的長度。

圖28.5共振干擾法、相位法（上）、時差法（下）測量連線圖

1.聲速測量系統(tǒng)的連接

聲速測量時，SV5專用信號源、SV6測試儀、示波器之間，連接方法見圖28.5。

2.諧振頻率的調(diào)理

根據(jù)測量要求初步調(diào)理好示波器。將專用信號源輸出的正弦信號頻率調(diào)理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，以得到較好的試驗效果，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)理示波器，能明白地觀測到同步的正弦波信號；

（2）專用信號源的上“發(fā)射強度〞旋鈕，使其輸出電壓在20VP?P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?25kHz~45kHz?，觀測接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（34.5kHz~39.5kHz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S1、S2相匹配頻率點，記錄此頻率fi。（3）改變S1、S2的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調(diào)理正弦信號頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達到最大值。共測5次取平均頻率f。3.共振干擾法、相位法、時差法測量聲速的步驟（1）共振干擾法（駐波法）測量波長

將測試方法設置到連續(xù)方式。按前面試驗內(nèi)容二的方法，確定最正確工作頻率。觀測示波器，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；記錄下來S2位置X0。然后，向著同方向轉(zhuǎn)動距離調(diào)理鼓輪，這時波形的幅度會發(fā)生變化（同時在示波器上可以觀測到來自接收換能器的振動曲線波形發(fā)生相移），逐個記錄下來振幅最大的X1，X2，?X9共10個點，單次測量的波長

?i?2?Xi?Xi?1。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。確定最正確工作頻率，單蹤示波器接收波接到“Y〞，發(fā)射波接到“EXT〞外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“CH1〞，發(fā)射波接到“CH2〞，打到“X?Y〞顯示方式，適當調(diào)理示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉(zhuǎn)動距離調(diào)理鼓輪，觀測波形為一定角度的斜線，記錄下來S