大学物理实验：超声声速测定

超声波速度测量声波特性的测量，如频率、波长、声速、声压衰减、相位等。是声波检测技术中的一项重要内容。特别是声速测量不仅可以了解介质的特性，还可以了解介质的状态变化，在声学定位、探伤、测距等应用中具有重要的现实意义。例如，声波测井、气体或液体的浓度和比重的声波测量、输油管道中不同油的界面的声波测量等。“声速测量”是一个综合性的声学实验。实验中，利用压电陶瓷超声换能器，通过驻波法(谐振干涉法)和相位比较法(非电测量法的一种应用)来测量超声波在空气中的传播速度。通过本实验，我们可以学到以下内容：(1)实验方法：非电测量法；驻波法和相位比较法测量声速。(2)测量方法：用示波器测量电信号的最大值，观察李萨如图形测量相位差。(3)数据处理方法：逐步寻找声波波长的方法。(4)仪器的调整和使用：双踪示波器和函数信号发生器的正确调整和使用。实验目的1.学会用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。2.了解压电传感器的功能。3.学会用循序渐进的方法处理数据。实验仪器SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双道示波器等。实验原理在弹性介质中，频率在20赫兹到20千赫之间的机械波振动的传播形成声波，频率在20千赫到500兆赫之间的机械波振动称为超声波。超声波的传播速度就是声波的传播速度。超声波具有波长短、易于定向发射和会聚的优点，声速实验中使用的声波频率一般在20 khz到60 khz之间。在这个频率范围内，使用压电陶瓷换能器作为声波的发射器和接收器效果最好。根据声波各参数之间的关系，这里是波速，是波长，是频率。图4-5-1共振法测量声速的实验装置在实验中，声速可以通过测量声波的波长和频率来确定。声波的频率可以直接从低频信号发生器(信号源)读取，而声波的波长通常通过相位比较(行波法)和共振干涉(驻波法)来测量。图4-5-2用相位比较法测量声速的实验装置1.相位比较法实验装置的接线如图4-5-2所示，示波器功能设置为X-Y模式。当S1发射的平面超声波通过介质到达接收器S2时，复合振动方程为：发射波和接收波之间产生相位差：如图3所示，随着振动的相位差从0变化到0，李萨如曲线从具有正斜率的直线变化到椭圆，然后变化到具有负斜率的直线。因此，对于每半个波长的偏移，一条斜率符号相反的直线将重复出现，并测量该波。(a) (b) (c) (d) (e)图4-5-3复合振动根据公式可以计算出声音传播的速度。改变S1和S2之间的距离l相当于改变发射波和接收波之间的相位差，并且屏幕上的图案也随着l连续改变。显然，当S1和S2之间的距离改变半个波长时，则=1。2.共振干涉(驻波)法测量声速声源S1发出的声波(频率为)通过介质(空气)传播到S2，该介质在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果接收表面(S2)和发射表面(S1)严格平行，入射波在接收表面上垂直反射，入射波与反射波干涉形成驻波。其余的压电陶瓷换能器由压电陶瓷片和重金属组成。图4-5-4纵向传感器的结构压电陶瓷片由多晶压电材料(如应时、锆钛酸铅陶瓷等)组成。)，在一定温度下通过极化处理制成。它具有压电效应，即当受到与极化方向一致的应力时，它在极化方向产生一定的电场强度，并具有线性关系：即力电，称为正压电效应；当处理极化侧时当向压电材料施加均匀的外加电压时，材料的弹性变形和以下之间存在简单的线性关系：，即电力，叫做逆压电效应。其中比例系数和压电常数与材料的性质有关。由于和和之间存在简单的线性关系，我们可以将正弦交流信号转化为压电材料的纵向长度扩展，使压电陶瓷片成为超声波的波源。也就是说，压电换能器可以转换电能当声能被用作超声波发生器时，声压变化可以依次转换成电压变化，即压电陶瓷片被用作超声波发生器。这是一个音频信号接收器。因此，压电换能器可以作为声波发生器将电能转换成声能，并且还可以作为声波接收器将声能转换成电能。压电陶瓷换能器根据其工作方式可分为纵向(振动)换能器、径向(振动)换能器和弯曲换能器。弯曲振动传感器。图4-5-4显示了纵向传感器的结构图。实验的内容和步骤1.声速测试仪系统的连接与调试当电源接通时，信号源自动工作在连续波模式。选定的介质处于空气的初始状态，预热15分钟。声速测试仪、声速测试仪信号源和双踪示波器之间的连接如图4-5-2所示。1)试验台传感器与声速测试仪信号源的连接信号源面板上的发射换能器接口(S1)用于输出相应频率的功率信号，并连接到测试架左侧的发射换能器(S1)；对于仪表板上接收端的传感器接口(S2)，请连接测试架右侧的接收传感器(S2)。2)示波器与声速测试仪信号源的连接信号源面板上发射端的发射波形(Y1)连接到双踪示波器的CH1(X)，用于观察发射波形；信号源面板上接收端的接收波形(Y2)连接到双踪示波器的CH2(Y)，用于观察接收波形。2.谐振频率的调试和测量只有当换能器S1和S2的发射面和接收面保持平行时，接收效果才能更好。为了获得更清晰的接收波形，需要将外部驱动信号的频率调整到发射换能器S1的谐振频率点，以便更好地进行声能和电能的相互转换，提高测量精度，获得更好的实验效果。调整超声波换能器工作状态的方法是：在所有仪器正常工作后，首先调整声速测试仪信号源的输出电压(100mv-500mv)，调整信号频率(25-45 khz)，在频率调整过程中观察接收波的电压幅值变化，在某一频率点(34.5-37.5 khz)电压幅值最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮。这个频率是压电换能器S1和S2匹配的频率点。记录频率i，改变S1与S2之间的距离，正确选择位置(即示波器屏幕上显示最大电压波形幅度时的位置)，微调信号频率，重复调整，再次测量工作频率，取平均值0，共5次。3.用相位比较法测量波长(李萨如图)1)设置测试方法3)在共振频率下，将S2移近S1，依次记录每个振幅最大时L2 L1读数刻度位置的10个值；4)记下室温t；5)数据按步骤处理。数据记录和处理1.驻波法t=0C v0=331.45m米/秒=赫兹最大振幅位置i(mm)12345最大振幅位置i 5(mm)678910(mm)2.阶段法t=0C 331.45m米/秒=赫兹位置的相位变化i(mm)12345位置的相位变化i 5(mm)678910(mm)预览要求1.理解驻波法和相位比较法测量声速的基本原理。2.理解驻波和李萨如图形形成的基本理论。3、了解信号发生器和示波器的功能调整和使用方法。4.了解驻波法和相位比较法测量波长。5、熟悉实验的具体内容。6、列出测量数据记录表。预防措施1、必须认真阅读仪器手册中的教材，熟悉每个旋钮的功能，可以调节。2.信号发射器的信号输出幅度不应过大，以免因仪器过热而损坏。3.轻轻调节仪器旋钮，以免损坏。4.在实验期间，函数信号发生器的输出频率应该等于换能器的谐振频率，并且在实验期间应该保持不变。5.使用游标测量移动距离时，必须缓慢而轻柔地调整，不要用手按压游标。6.传感器的发射面和接收面应保持相互平行。思考问题1.驻波法测量声速的原理和方法是什么？2.用相位比较法测量声速的原理和方法是什么？3.信号发生器和示波器在实验中的作用是什么？4.实验中用来传