超声波声速的测量.doc

实验24 超声波声速的测量目的1.学习用共振干涉法和相位比较法测量超声波的波速.2.加深对驻波及振动合成等理论知识的理解.3.了解压电陶瓷换能器的工作原理.4.培养综合运用仪器的能力.原理 声波是一种在弹性介质中传播的机械纵波.频率在2020 000Hz的声波为可听声波.低于20Hz的声波为次声波，高于20 000Hz的声波为超声波，这两类声波不能被人耳听到，但与可听声波性质相同.1234图 24-11. 铝头 2. 压电陶瓷圆环3. 黄铜尾部 4. 螺钉 本实验采用压电陶瓷超声波换能器，来产生和接收超声波.如图24-1所示，压电陶瓷超声波换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属，组成夹心结构.头部用铝做成喇叭形，尾部用铜做成锥形，中部为压电陶瓷环，螺钉穿过环的中心.压电陶瓷片由多晶结构的压电材料（如钛酸钡、锆钛酸铅）制成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应.即压电材料受到与极化方向一致的应力时，在极化方向产生一定的电场强度，且有线性关系；反之，当与极化方向一致的外加电压加在压电材料上时，材料的伸缩形变与电压也有线性关系，比例系数、与材料性质有关.由于与、与之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号，转变成压电材料的纵向长度伸缩，从而成为超声波的波源；同样也可以把超声波的声压变化，转变为电压的变化，用来接收超声波信号. 声波的传播速度与声波频率和波长的关系为 （24-1）实验中，声波频率可由信号发生器直接读出，我们只要测出声波波长，就可求出声速.测量的常用方法有共振干涉法和相位比较法.（一）共振干涉法（驻波法）S2S1Y2Y1Y2S2Y1S1HZDH信号源示波器图 24-2 实验装置如图24-2 所示，和是两只相同的压电陶瓷超声换能器，用作发射器，为接收器.低频信号发生器输出的正弦电压信号，接入换能器，将此信号转变为超声波信号，发射出平面超声波.换能器接收到超声波信号后，将它转变为正弦电压信号，接入示波器进行观察. 换能器在接收超声波的同时，还反射一部分超声波.这样，由发射的超声波和由反射的超声波，在和端面之间干涉，产生驻波共振现象. 设方向入射波方程为 反射波方程为 入射波与反射波干涉，形成驻波 （24-2）当时，即在 位置上，振动振幅最大，称为波腹；当时，在 位置上，振幅最小，称为波节.因此，当和端面之间距离，恰好等于超声波半波长的整数倍时，即： （24-3）在和之间的区域内将因干涉而形成驻波. 对一个振动系统来说，当激励频率与系统固有频率相近时，系统将产生共振，此时振幅最大.本实验驻波场可看作是一个振动系统，当信号发生器的激励频率等于驻波系统固有频率时，产生驻波共振，振幅达到极大值；当驻波系统偏离共振状态时，驻波的形状不稳定，振幅比极大值小得多. 由于波节两侧质点的振动反相，所以在纵波产生的驻波中，波节处介质的疏密变化最大，声压最大，转变为电信号时，将会有幅值最大的电信号.本实验中为波节，固定，连续移动，增大与的间距，每当满足（24-3）式时，示波器将显示出幅值最大的电压信号，记录这些波节（）的坐标，则两个相邻波节之差即为半波长.（二）相位比较法 实验装置如图（24-2）所示，发出的超声信号经空气传播到达接收器，接收的信号与发射的信号之间存在相位差 （24-4） 本实验中，把发出的信号直接引入示波器的水平输入，并将接收的信号引入示波器垂直输入.这样，对于确定的间距，示波器上将有两个同频率、振动方向相互垂直、相位差恒定的两个振动进行合成，从而形成李萨如图形.连续移动，增大与的间距，可使相位差变化，并依次满足：相应地，示波器将依次显示如图24-3：图 24-3 因此，当相位差从变化到时，李萨如图形从“/”变化到“”，相应的间距的改变量为；同理，当相位差从变化到时，李萨如图形从“”变化到“/”，相应的间距的改变量也是，由此测得波长.仪器介绍S2S1图 24-41234561.鼓轮 2.数显尺杆 3.螺杆 4.数显表头5.换能器S2 6.换能器S1 本实验采用HZDH系列声速测试仪，它由两个部分组成，分别为HZDH声速测试仪和HZDH综合声速测试仪信号源.1.HZDH声速测试仪 其外形结构，如图24-4 所示.和为压电陶瓷换能器，作为声波发射器，它由信号源供给交流电信号，由逆压电效应发出平面超声波；而则作为声波的接收器，由正压电效应将收到的声压转换为电信号，经过信号处理后，输入示波器.固定不动，可通过转动鼓轮，在数显尺杆上移动，所在位置由数显表头读出.2.HZDH综合声速测试仪信号源 其面板如图24-5所示.仪器可对发射的声波类型等进行选择.调节旋钮的作用：连续波强度用于调节输出信号的功率（输出电压）；接收增益用于调节仪器内部的接收增益；频率调节用于调节输出信号的频率图24-5综合声速测试仪信号源S测试方法脉冲波脉冲波强度大中波形换能器换能器发射端波形接收端调节旋钮连续波强度接收增益频率调节KHz连续波小HZDH 杭州大华实验内容（一）仪器调整1.按图24-2 连接声速测试仪、声速测试仪信号源和双踪示波器.注意：发射端波形接口连接示波器EXT接口；接收端波形接口连接示波器CH2通道.2.接通电源后，仪器自动工作在连续波方式，预热15min.仪器正常工作后，首先调节声速测试仪信号源的连续波强度和接收增益两旋钮（输出电压在1015V），并且调整频率调节旋钮（频率在2545KHz）.3.打开示波器，预热2min.调整示波器，在水平方向接入扫描信号，在垂直方向接入接收端波形，并使图形稳定（对HONGHUA 5020B型示波器：将SOURCE选择开关打在INT档，把INT TRIG选择开关打在CH2通道，按下CH2按键，而PULL INV选择开关打在AC档.选择合适的TIME/DIV和CH2通道的VOLTS/DIV两旋钮位置.调整VARIABLE和LEVEL两旋钮,最终使示波器的波形稳定下来.）4.调节信号频率，观察频率调节时接收电压的幅度变化.在某一频率时电压幅度最大，该频率值就是测试系统的共振频率.改变和间距，重复调整，多次测定共振频率，取平均值为实验频率.（二）共振干涉法测声速1.把信号频率设定为共振频率.2.将移到接近处（不要相接触）.从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动，当示波器上出现振幅最大的波形时，从数显尺（或机械刻度）上读出读数.3.沿同一方向，再次移动，逐个记录振幅最大时的位置，共8个.（注意：当波形幅值减小时，可适当调整CH2通道的VOLTS/DIV旋钮.）4.将数据记入表格24-1，并记录实验时的室温.用逐差法处理数据，由下面给出的公式，计算波长、声速和误差：平均值，波长，实验声速，理论声速（是时空气中的声速），相对误差（三）相位比较法测声速1.将信号频率设定为共振频率.2.调整示波器,在水平方向接入发射端波形,在垂直方向接入接收端波形,使示波器上显示出椭圆形李萨如图形.(对HONGHUA 5020B型示波器:将SOURCE选择开关打在EXT档,调整超声波信号源的连续波强度旋钮以及示波器CH2通道的VOLTS/DIV旋钮,使示波器上出现大小合适的椭圆形李萨如图形.)3.缓慢移动，观察示波器屏幕上是否出现直线-椭圆-直线的图形变化.4.从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动，使示波器上出现一正斜率直线“/”（或负斜率直线“”），记下相应的读数.5.移动，逐渐增大间距，使示波器屏幕上交替地出现直线“”和“/”，依次记录其位置，共8个.（注意:当波形幅值减小时，可适当调整CH2通道的VOLTS/DIV旋钮.）6.将数据记入表格24-2，并记录实验时的室温.用逐差法处理数据，用实验内容（二）4给出的公式，计算波长、声速和误差.数据表格表24-1 共振干涉法测声速 （）， (Hz)次数01234567（cm）（cm）表24-2 相位比较法测声速 （）， (Hz)次数01234567（cm）（cm）注意事项1.仪器使用中，应避免声速测试仪信号源的输出端短路；2.实验中，和不能互相接触，否则会损坏压电换能器；3.由于声波在空气中衰减较大，声波振幅随远离而显著变小，实验时应随时调节示波器垂直方向的衰减旋钮；（对HONGHUA 5020