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1、1,实验三 声速的测量 The measure of speed of sound,超声波（Ultrasonic wave）在介质(Media)中的传播速度是一个基本物理量，超声技术日趋广泛应用。 超声测距、超声清洗、超声探伤、超声检查、超声美容等。,2,【实验目的】 1. 学会用共振干涉法、相位比较法和时差法测量声速，并加深对共振、振动合成波的干涉等理论知识的理解。 2. 进一步掌握示波器和低频信号发生器的使用。,Experimental purpose Learn how to measure speed of sound using resonant interference, phas
2、e comparison and time difference, and comprehend elements - resonance, vibration composing，wave interference, etc better. Command the use of oscilloscopes and low frequency signal generators in practice.,3,【实验仪器】 超声声速测定仪 声速测定仪信号源 双通道通用示波器等。,Experimental apparatus Speed of ultrasonic measurers speed
3、of soundmeasurers signal source oscilloscopes with bidirectional channels, etc,4,【实验原理】Experimental principle,在波的传播过程中波速v、波长 与频率f 之间存在着 的关系，若能同时测定媒质中声波传播的频率及波长，即可求得此种媒质中声波的传播速度v 。 测量声速也可以利用 v = L / t， 其中L为声波传播的路程，t 为声波传播的时间。 通过测量 v 还可了解被测媒质特性或状态的变化，这在工业生产及科学实验上有广泛的实用意义。,5,1.超声波的产生和接收 发射和接收超声波的器件： 压电
4、陶瓷。 压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应。 在发射压电陶瓷上加交变电压，则产生纵向机械振动，产生超声波（逆压电效应）. 接收压电陶瓷接收到超声波后，产生电信号。（正压电效应）.,电 声,声 电,6,压电陶瓷有一个谐振频率f0（如40KHz）当输入电信号的频率等于谐振频率f0时，压电陶瓷产生振动或信号最大。 超声波单色性好，方向性强，波长较短，故用超声波作声源，声速测量精确度较高。 2. 声速原理 V = f 声源振动频率 f ：直接由函数发生器读出. 声波波长： 驻波振幅极值法和相位比较法测量.,7,1、共振干涉（驻波Standing Wave ）法测声速 S1作为超声源源（发射头），低频信
5、号发生器输出的正弦交变电压信号接到换能器S1上，使S1发出一列平面波。 S2作为超声波接收头，把接收到的声压转换成交变的正弦电压信号后，输入示波器观察。 当S1和S2之间的距离 L 满足下式：L= n /2 （n=1、2）时，形成驻波。,图4-3- 1 实验装置接线图,实验装置接线图 图中S1和S2为压电陶瓷超声换能器,8,这样， S2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1和S2之间产生定域干涉，而形成驻波。,波节,波腹,产生驻波的条件,9,对某一特定波长，将相继出现一系列共振态，任意两个相邻的共振态之间，S2的位移为： 所以当S1和S2之间的距离
6、L 连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期性变化，相当于S1和S2之间的距离改变了 。此距离 可由游标卡尺测得，频率由信号发生器读得。 根据波速公式： 可以求得声速。,10,2.相位比较法 Phase comparison,如图所示，置示波器功能于XY方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2时，在发射波和接受波之间产生位相差： 当L=n（n=1、2）时，=2n，波在S1 、S2同相；而当L=(n-1/2)时，=(2n-1)，波在S1 、S2相位相反，由此测量波长。,11,改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接受波之间的位相差，荧光屏上的图形也随L不断变化。 当S1 、
7、S2之间距离改变半个波长 则 。随着振动的位相差从 的变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。 因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线，测得了波长和频率，根据 式可计算出室温下声波在媒质中传播的速度。,12,3.时差法Time difference 设以脉冲调制信号激励发射换能器，产生的声波在介质中传播，经过t时间后，到达 L 距离处的接收换能器。 可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度：,图4-3-2 发射与接收波形图,13,【实验内容】Experimental content,1、声速测试仪系统的连接与调试 通电后预热15min.，信号源自动工作在连
8、续波方式 声速测试仪和信号源及双通道示波器之间的连接如图所示。,图4-3- 1 实验装置接线图,14,2、测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点,（1）超声换能器工作状态的调节 在100mV500mV之间调节声速测试仪信号源输出电压， 在2545kHz之间调节信号频率， 通过示波器观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.537.5kHz之间）电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、 S2相匹配的频率点，记录频率 f。,15,（2）改变S1和S2之间的距离 选择示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置， 再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作
9、频率， 共测5次，将数据填入表1并求平均值。,16,3.共振干涉法（驻波法）测量波长,(1) 将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为 。 (2) 将示波器调到合适的工作方式, 观察示波器，找到接收波形的最大值。 转动声速仪距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化,记录幅度为最大时的距离Li；再向前或者向后沿一个方向移动接收器的位置，当接收波形幅度由大变小，再由小变大，且达到最大时，记录此时的距离 Li1. 波长 。 接收器的位置由主尺刻度、手轮的位置决定。手轮与丝杆相连上分为100分格，每转一周，接收器平移1mm，故手每一小格为0.01mm，可估到0.001mm。,17,（3）连续
10、移动接收器的位置，观测示波器相继出现的极大值，依次在表2中记录游标尺的相应值，用逐差法处理数据。 （4）根据 求出声速。,18,测量方案及实施示意图,19,4.相位比较法（李萨如图形）测量波长,（1）将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为 。 （2）首先，置示波器于双踪显示功能，观察发射和接收信号波形，转动距离调节鼓轮，至接收信号幅度达最大值时的位置。调节示波器CH1、CH2衰减灵敏度旋钮、信号源发射强度、接收增益，令两波形幅度几乎相等，观察两波形曲线间的关系。 （3）然后，置示波器于XY功能方式，这时观察到的李萨如图形为一斜线，否则可微调声速仪的鼓轮实施之，记录下此时的距离Li
11、。,20,（4）单向转动调节鼓轮，改变换能器之间的距离。当移动一个波长时，观察到波形又返回前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器S2的振动波形发生了2相移，记录此时的距离 Li1。 即：波长 。 （5）多次测定，依次在表3中记录游标尺的相应值，并用逐差法处理数据。 （6）根据 求出声速。,21,5.时差法测量声速,（1） 设置信号源测试方法为脉冲波方式，将声速仪S1和S2之间距离调至50mm。 （2） 调节示波器接收增益，使显示的接收波信号幅度在300400mV左右（峰峰值），再调定时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离 Li 和时间值 ti（时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出或由示波器测出）。 （3）移动S2，同时调节示波器接收增益使接收信号幅度始终保持一致。记录这时的距离值Li1和显示的时间值ti1。,22,（4）多次测定，依次在表4中记录游标尺的相应值，用逐差法处理数据，计算声速 。,图4-3-2 发射与接收波形图,23,附：声速测量值与公认值比较 声波在理想气体中的传播过程，可以认为是绝热过程. 若同时考虑大气压和空气中水蒸气的影响，声速可表示为： 式中，00C时的声速V0=331.45 m/s。P为大气压；PW为空气中水蒸汽的分压强，它等于测量温度（t）下水蒸汽的饱和蒸汽压e乘以相对湿度H，即 PW = e H 。,