声速测量实验报告1

1声速测量实验报告一、实验目的1、学习超声波产生和接收的原理；2、学习用不同的方式测量声波在空气中的传播速度；3、分析比较三种测量方式的优劣；4、用反射法测量挡板的距离并做误差分析。二、实验原理及实验步骤见预习报告三、数据记录与处理1空气湿度45（此为相对湿度）室温19下面计算理想声速声速计算公式为M/S（11）V33145（10）（10319W）其中，为室温，27315K，为蒸汽分压强，为大气压强。0W查表得到19下的饱和水蒸气压21978KPA,则由相对湿度计算公式P0RH（12）WP0100可得WP021978450989A代入（1）式可得34332M/SV仪器最好频率（本征频率）40KHZ注此处的查阅讲义得知是蒸汽的分压强，并没有说是不是饱和蒸汽压，故计算中觉得应该考虑相对湿P度的影响，将其作为该湿度下的蒸汽分压强处理。不过计算结果与代成饱和蒸汽压差异不大。221共振干涉法数据记录2距离D/MM3882433747855193563160016526696973947814振幅A/V188184168168156136164160156124表1共振干涉法数据记录环差法处理数据由实验原理可知，且相邻两次接收信号到达极大值时接受面之间的距离为，取环差V2间隔为5，则这两个极大值对应个声波波长，传播时间间隔为,5252F序号/MM序号/MMD平均差值1383260012119243376526218934785696921842175245193739422015563178142183平均波长2587008表2共振干涉法环差法处理数据则平均声速计算公式为13V515552F/1代入数据得348032M/SV相对误差|V|10013722相位比较法、利用李萨如图形记录发射声波与接受声波之间的相位差，当二者为时，李萨如图形退化为倾角不同的两条直线。如图所示3图3接受信号和发射信号相位差时的李萨如图形数据记录及环差法处理数据距离D/MM3793419046385081552059486366680172317655表2相位法数据记录序号/MM序号/MMD平均差值1379359482155241906366217634638680121632155845181723121505552076552135平均波长2586232表4环差法处理数据则平均声速计算公式为V515552F/1代入数据得344928M/SV相对误差|V|10007比起共振干涉法来说，相位比较法具有更高的精确度，原因在于共振干涉法时，是通过人来辨别曲线峰值是否达到最大，而这个没有通过判断李萨如图形是否为一条直线来得精确，并且从实验中发现，曲线即使固定好距离，曲线峰值也是出于不断波动之中，对于人的判断干扰较大，相反，李萨如图形则比较稳定。3时差法数据记录距离D/MM40384385505558736638738481988691955010374主机显示时间T1/252257277307331353362372405428示波器时间读数T2/253264280304336352368375510430表5时差法数据记录数据处理A利用最小二乘法，利用显示屏直接显示的实验数据点进行拟合，拟合图像如下图4利用最小二乘法进行数据拟合图5软件运算得到的相关参数截图从MATLAB中读取拟合曲线方程为D3593004997相关系数，非常接近与1，故拟合程度较高。2099185由此可得声速值为13593/相对误差|V1|100308附相关系数计算公式S1S12S12SSSB利用示波器读取时间间隔。示波器的时间间隔读法如下6图6接受波形图操作示波器，先固定准线至发射器发射声波的位置1，此即为时间零点，再挪动准线至接收器接收到声波的位置2，此时示波器会自动显示12间的时间间隔。距离D/MM4038438550555873663873848198869195501037主机显示时间T1/252257277307331353362372405428示波器时间读数T2/253264280304336355368375510430表6时间间隔数据记录从数据记录表中发现，示波器读取的时间间隔比显示屏直接显示的要快16S关于波包成因分析，见思考题。4超声波测距数据记录实际距离/MMD11536814092128771098687886835距离测量值D2/MM14412711395725096813921577148615881835表7超声波测距数据记录发现随着实际距离的增大，测量距离与实际距离的差减小，即测量越准确。7随着距离增大，得到的接收信号与发射信号的时间间隔相较于脉冲信号的周期来说长得多，因此得到的时间的相对误差会比较小。5课后题（1）压电陶瓷工作原理压电陶瓷利用的原理是在机械应力作用下，内部正负电荷中心产生相对位移，从而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷，这是其正压电效应；。对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生微小的形变，这就是压电陶瓷的逆压电效应，是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应，可以把高频电脉冲转化为高频率的振动，从而产生了超声波2压电陶瓷的固有频率由哪些因素决定一般物体振动的固有频率是由其形状决定的。压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是220T晶片厚度晶片中纵波波长，晶片中纵波波速，晶片固有频率。002这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。（3）时差法有哪些应用A用于超声波流量计中B测量声速C衍射时差法探伤（4）声速推导从建立波动方程的角度推导较为繁琐，故利用动量定理给出一种简明推导方法。考虑一个横截面积为A的圆管，左边为一可移动的活塞，将其作为声源。内部气体密度为8活塞的微小振动使其附近的压强发生变化,这种压强的变化在管中传播,产生了声波假定活塞向右移动速度是V振动速度小于声传播速度,活塞上受到的外力是F,在时刻T压强发生变化的气体以声速U传播到距离为处,该处为动静气体的分界面,活塞移动的距离为考虑一个很短暂的时间间隔,波前传播的距离远小于一个波长,此时管中活塞附近的运动气体的气压改变量是P,也就是声压处于流动状态的气体的质量是541流动的气体获得的动量是（542）2根据动量定理有（543）3外力F等于气体作用在活塞上的力的改变量,并等于管内压强的改变量乘以活塞的截面积,所以有（544）整理上式得到545在声音不是非常大的情况下,声速不依赖于声压的大小,并且不依赖于声源的振动速度,声传播的热力学过程是绝热过程从热力学的结论可以知道,绝热过程的物态方程为546故547体积的变化量是活塞移动造成的体积的减少量由于管子的截面积是均匀的,体积的变化量与原体积的比可以用活塞移动的距离与声波传播的距离的比来表示,并且在同一段时间内,距离的比可以用速度的比来表示9548压强的变化量可以重写为549联立（545）和（559）可得5410将代入上式进行变换，可以得到5410（5）关于发射信号特点分析通过观察发射信号的波形，发现首先其是一个脉冲波，其次每个脉冲波上升较缓慢，下降较急剧。同时根据压电陶瓷的工作原理，即高频脉冲波激发其与之共振，则发射信号的频率应与压电陶瓷谐振频率大体一致，过高会导致输出功率降低，过低则不能达不到激发谐振的要求。下面分析发射信号的占空比10A利用PHOTOSHOP精确采取一个发射周期内的波形B利用MATLAB将RGB图像转化为灰度图，再从中抽取一行像素点，如图所示。利用代码实现可计算每两个蓝色像素点之间的距离，从而得到单个脉冲宽度以及0三个脉冲总信号周期T通过图片分写得到的占空比为4615。D30附1MATLAB代码CIMREAD6JPGBRGB2GRAYCAZEROS1,49FORI149A1,IB60,IENDMZEROS1,15S0FORI149IFA1,I177|A1,I176SS1M1,SIEND抽取的一列像素点单个脉冲宽度0三个脉冲总信号周期T11END附2MATLAB运算结果M3610192331354448去掉第一个和最后一个数，经过简单加减运算得04，867关于发射信号的幅值，应由激励电压值决定，激励电压给得越大，则压电陶瓷形变越大，因此产生的振动产生的声波越强，幅值会越大。当然这多大的激励电压合适得由压电陶瓷自身性能比如压电常数，介电常数等决定，否则一味提高电压会导致输出功率降低。（6）关于接受信号的波形分析A首先利用MATLAB提取出波形如图所示附3MATLAB提取波形提取代码IIMREAD1JPGFIGURE1IMSHOWIGRGB2GRAYIAZEROS359,592FORK1592FORM1359IFGM,K223|GM,K224|GM,K225|GM,K222|GM,K221|GM,K220AM,KGM,K12ELSEAM,K0ENDENDENDFIGURE2IMSHOWA然而不幸地发现，通过图片处理的手段，只能提将波形以图片格式显示，无法改成WAVE格式，因此最开始想对波形做傅里叶变换的计划夭折。B对回波的分析。由于“傅里叶变换”这一正向分析计划不幸夭折，故只能猜测回波形成原因，再利用软件模拟检验。观察原始波形图发现，接受信号中有多个波包，并且波包整体的振幅依次减小最后趋近于0，据此猜测，这个回波是由发射信号在仪器内多次反射并线性叠加的结果。首先回波波包的形成是由于多个脉冲波的叠加，其次。多次反射导致接收器不断地都有接受到信号，出现多个波包，并且由于能量损失，波包整体振幅减小。下面利用MATLAB模拟信号发生和接受波形。发生波形为脉冲波，用简单的余弦波COSWT代替,传播过程中伴随着能量损失与F