超声波测量液体浓度设计实验报告.doc

设计性物理实验报告实验题目：超声波测量液体浓度学生姓名：谢勇平学院： 交通运输学院 学号：11301024 首次实验时间：2012.11.27 指导老师：滕永平 2012年12月11日超声波测量液体浓度运输1108 谢勇平 11301024一、实验任务： 溶液中声波的传播速度与溶剂的浓度有密切的关系，试设计一种超声波声速的测量方法，定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后能够测量出未知溶液的浓度，精度不低于5%。二、实验要求：1、 参阅相关资料，了解超声波换能器的种类，特别是压电式超声波换能器的工 作原理。2、 比较脉冲反射法测量声速和连续波法测量声速的特点。3、 设计连续波测量液体声速的实验方案。4、 制作氯化钠溶液浓度与声速的变化曲线。三、实验方案：1、物理模型的建立及比较和选择：超声波在不同浓度液体中的传播速度不同，在不同的液体浓度下测量出超声波的传播速度就可以定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后就可以通过测量超声波在某位置浓度液体中的传播速度计算出液体浓度。故本实验的关键就是测量超声波的传播速度。1）如果声波在时间内传播的距离为，则声速为 。2）由于声波在时间（周期）内传播的距离为（波长），则3）横波波速：= 声波传播距离s用的时间t不易测量，介质形变的恢复力T和液体密度也不易测量，故本实验采用模型二，即。2、实验方法的比较和选择：由知，只要测出频率和波长，便可以求出声速。本实验使用交流电信号控制发生器，故声波频率f即电信号的频率，它可用频率计测量或信号发生器直接显示，而波长的测量常用的是相位比较法和驻波法（共振干涉法）。方法一：驻波法（共振干涉法） 声源产生的一定频率的平面声波，经过空气介质的传播，到达接收器。声波在发射面和接受面之间被多次反射，故声场是往返声波多次叠加的结果，入射波和反射波相干涉而形成驻波。在发射面和接受面之间某点的合振动方程为 最大振幅（2A）处被称为驻波的“波腹点”，最小振幅（0A）处被称为“波节点”。 波腹点位置：,即， 波节点位置：,即， 可知，相邻两个波腹点（或波节点）的距离为，当发射面和接受面之间的距离正好是半波长的整数倍时，即形成稳定的驻波，系统处于共振状态。 共振时，驻波的幅度达到极大，同时，接受器表面的振动位移应为零，即为波节点，但由于声波是纵波，所以声压达到极大值。理论计算表明，若改变发射器和接收器之间的距离，在一系列特定的距离上，介质将出现稳定的驻波共振现象。若保持声源频率不变，移动发射源，依次测出接受信号极大的位置，则可以求出声波的波长，进一步计算出声速。方法二：相位比较法：由声波的波源（简称声源）发出的具有固定频率的声波在空间形成一个声场，声场中任一点的振动相位与声源的振动相位之差为： 在示波器上可观测到发射波与接受波信号的垂直振动合成的李萨如图形。若发射波合接受波的信号为： 则该利萨如图形，即合振动方程为： 当时，示波器上合振动轨迹为处于第一、第三象限的直线段；当时，示波器上合振动轨迹为一正椭圆；当时，合振动轨迹为处于第二、第四象限的直线段。三种情况下的利萨如图形分别如图1所示。一般情况下为一斜椭圆。随着相位差从0变到时，利萨如图形会依次按如下变化：一、三象限直线段斜椭圆 正椭圆 斜椭圆 二、四象限直线段。 若在距离声源处的某点振动与声源的振动反相，则为的奇数倍： 若在距离声源处的某点振动与声源的振动同相，则为的偶数倍： 相邻的同相点与反相点之间的相位差为： 相邻的同相点与反相点之间的距离为： 将接收器由声源处开始慢慢移开，随着距离为，可探测到一系列与声源反相或同相的点，由此可求波长。 (a) (b) (c) (d) 图1 的利萨如图形 的测定可以用示波器观察利萨如图形的方法进行。将发射器和接收器的信号，分别输入示波器的轴和轴，则荧光屏上亮点的运动是两个相互垂直的谐振动的合成，当方向的振动频率与方向的振动频率比即为整数时，合成运动的轨迹是一个稳定的封闭图形，称为利萨如图形。利萨如图形与振动频率之间的关系如图所示。 由图1可知，随着相位差的改变将看到不同的椭圆，而在各个同相点和反相点看到的则是直线。3、仪器的选择与配套：1）误差公式推导： 2）实验仪器： 信号发生器：（量程：100KHz2MHz 仪器误差：Hz） 示波器 声速测量仪（发射换能器、接收换能器、盛液体的容器）附：超声波换能器工作原理：压电式换能器工作原理：用做超声波换能器的压电陶瓷被加工成平面状，并在正反两面分别镀上银层作为电极，称为压电晶片。当给压电晶片两级施加一个电压短脉冲时，由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡，振荡频率与晶片的声速和厚度有关，适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波，即超声波。在晶片振荡过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，通常称为脉冲波。超声波被同一压电换能器接收，由于正压电效应，振荡的晶片在两极产生振荡的电压，电压放大后可以用示波器显示。换能器的种类：纵波波型、横波波型、表面波波型。4、测量条件与最佳参数的确定： 1)测量条件：温度会影响声波在液体中的传播速度，在测量时要避免温度对声速测量的影响，因此在测量声波在液体中的传播速度时要保证温度一致。液体的浓度不能过大也不能过小，要适量。 2）最佳参数：超声波的频率在100kHz2MHz之间，液体的浓度在一定的范围内。测量温度最好最好在室温下四、实验步骤： 1、实验装置连接： 2、实验步骤：方法一： 调节信号发生器输出正弦信号的频率，达到与换能器谐振。 在共振条件下，将S2移近S1，在缓慢移开S2，当示波器上出现振幅最 大时，几下S2的位置L0。 根据实验时给出的压电晶体的振动频率f，将信号发生器的输出频率调至 f附近，调节S1、S2间距约5cm，缓慢移动S2，增大二者间距。当示波器首 次出现振幅最大时，固定S2，再仔细微调信号发生器的输出频率，使银光评 上图形振幅达到最大，读出共振频率f。 由近及远移动S2，逐次记下各振幅极值点的位置L1、L2、L3L12，过程中保持频率不变。 方法二： 调节实验装置和仪器，将输入信号同时接入示波器的x输入端，将接收信号电压接到示波器的y输入端，示波器选择x-y工作方式，得到利萨如图形。 改变S2的位置，从找到第一个斜线形利萨如图形开始测量，记录S2的位 置坐标。 连续移动S2，每次得到相同的斜线形利萨如图形时，测量对应的S2的位置坐标并记录，同时记录所对应的信号频率f。3、实验数据：（见附录表格）4、注意事项：（见注意事项总述）五、实验注意事项（方案一、二）1、声波发射器和声波接收器的两个端面尽量调平行。2、注意电路的正负极要接正确。3、若信号源的输出频率不稳定，可取其平均值。输出电压有效值3伏。4、测量时应调节螺杆使S2移动，请避免空回误差。5、当使用液体为介质测声速时，应避免液体接触到其他金属件和容栅数显尺上， 以免损坏仪器。6、使用时，应避免信号源的信号输出端短路。7、在储液槽中注入液体时，要直至将换能器完全浸没，但不能超过液面线。同 时，不能将液体淋在数字显示表头上。8、 将专用信号源上的“声速传播介质”置于“液体”位置，换能器的连接端应在接 线盒上的“液体”专用插座上。七、参考文献1、 大学物理实验，北京交通大学出版社，2010，牛原、张斌、赵红娥2、 大学物理实验，人民邮电出版社，2009，孙彬，李延强3、 超声波声速测量实验中的误差分析，电子科技大学物理电子学院，2005 年10月，陈中钧4、 用超声光栅仪测量液体浓度，2007年12月，刘澄宇5、 换能器原理，2005年8月，李玉波附录（）实验数据实验一清水中：频率f = 500KHz表1.1 次数k位置Lk（cm）(cm)次数k位置Lk（cm）(cm)15.00 0.6815.100.7525.1425.2535.270.6735.400.7445.4145.5755.550.7155.720.7865.6865.8575.810.6975.990.7285.9886.1896.100.7096.290.76106.25106.49平均值（cm）0.690平均值（cm）0.750次数k位置Lk（cm）(cm)次数k位置Lk（cm）(cm)15.02 0.7315.000.7425.1625.1635.350.7435.340.7445.5145.5055.630.7255.620.7665.7565.7475.900.7575.900.7286.0786.1096.26 0.7396.22 0.74106.36106.36平均值（cm）0.734平均值（cm）0.740根据表中有：波长 = 2/5 * 0.690 = 0.276(cm); 声速v = * f = 0.276 * 0.01 * 500 * 1000 = 1380(m / s)波长 = 2/5 * 0.750 = 0.300(cm); 声速v = * f = 0.300 * 0.01 * 500 * 1000 = 1500(m / s)波长 = 2/5 * 0.734 = 0.294(cm); 声速v = * f = 0.294 * 0.01 * 500 * 1000 = 1470(m / s)波长 = 2/5 * 0.740 = 0.296(cm); 声速v = * f = 0.296 * 0.01 * 500 * 1000 = 1480(m / s) 结果分析：第一次试验，老师布置的任务是测量超声波在清水的速度，测量三次，目的在知道怎样才能精确的测量到超声波的速度以及熟悉仪器的操作。在测完三次测量后，给老师检查时，老师指出第一次测量有些不对，叫我再测量一组，并分析第一次测量不对的原因。在第一次测量的时候，对原理以及仪器还有些含糊，在移动距离的过程中也不够仔细精确，所以所获得的数据有些不是很完美，后面再不断的询问周围同学有关操作方式问题，逐渐熟悉了，也细致了，认真的完成了接下来的测量，所得到的结果也就比较理想了。实验二16%盐水中：频率f = 515KHz 15%盐水中：频率f = 515KHz 次数k位置Lk（cm）(cm)次数k位置Lk（cm）(cm)15.00 0.8215.000.8025.1625.1635.320.8435.310.8145.494 5.4855.660.8455.640.7965.8265.8076.000.8375.970.8086.1686.1096.320.8396.280.80106.49106.44平均值（cm）0.832平均值（cm）0.80014%盐水中：频率f = 515KHz 13%盐水中：频率f = 515KHz 次数k位置Lk（cm）(cm)次数k位置Lk（cm）(cm)15.00 0.8015.000.8025.1625.1635.310.8135.330.8145.4845.5155.640.7955.66 0.7965.8065.8075.970.8075.970.7886.108 6.1296.280.8096.290.80106.44106.46平均值（cm）0.796平均值（cm）078512%盐水中：频率f = 515KHz 11%盐水中：频率f = 515KHz 次数k位置Lk（cm）(cm)次数k位置Lk（cm）(cm)15.00 0.7915.000.7725.1525.1535.310.8135.310.7645.4845.4555.620.8055.610.7865.796 5.7775.960.7875.910.8086.1186.1196.260.8096.250.75106.42106.36平均值（cm）0.770平均值（cm）0.76010%盐水中：频率f = 515KHz 9%盐水中：频率f = 515KHz 次数k位置Lk（cm）(cm)次数k位置Lk（cm）(cm)15.00 0.7215.000.7525.1625.1535.330.8135.310.7445.5145.4855.660.7755.610.7665.8065.7575.970.7475.890.7886.1286.0796.290.7896.260.74106.46106.35平均值（cm）0.752平均值（cm）0.745实验三：未知浓度盐水中：频率f = KHz 次数k位置Lk（cm）(cm)次数k位置Lk（cm）(cm)1 122334455667788991010平均值（cm）平均值（cm）数据处理及分析实验二：盐水中：计算方法同实验一，表格如下：盐水浓度9%10%11%12%13%14%15%16%声速（m / s）1534.701547.061565.001586.201617.101639.761648.001708.77实验三：计算方法同实验一，得到声速为： 与实验二得到的图表比较后得：盐水的浓度为：附录（）实验总结本实验通过使用示波器，声速测量仪测量不同液体以及同一种但不同浓度液体中的声速。我们认识到不同的液体中声速是不同的，盐水中的声速要比清水中的声速大；在不同浓度的液体中，声速也是不同