医用物理学：实验四十超声波实验

1、实验四十 超声波实验 实验目的 o 了解声波在空气中传播的特性 o 了解压电换能器的功能 o 了解声波的产生、发射和接受方法 o 进一步掌握示波器、信号发生器的使用方法 o 加深对波的传播、干涉、驻波、振动合成等理 论知识的理解。 o 学习驻波法和相位法测试超声波在空气、水中 的传播速度 实验器材 o ZKY-SS声速测定实验仪（信号源、测定仪、 水槽）、示波器 移动支架 换能器 水槽 示波器 信号源 发射换能器的发射面与接收换能器的发射换能器的发射面与接收换能器的 接收面要保持互相平行！接收面要保持互相平行！ zky-ss型声速测定实验仪主要由压电陶瓷换能器型声速测定实验仪主要由压电陶瓷换能

2、器 和读数标尺组成。和读数标尺组成。 后 盖 反 射 板 压 电 陶 瓷 片 辐 射 头 正 负 电 极 片 换能器结构图换能器结构图 压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、 锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。 压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器，压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器， 反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶 瓷片作为声频信号接收器。瓷片作为声频信号接收器。 压电陶瓷换能器是由压电陶瓷

3、片和轻重两种金属组成压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成 2. 示波器示波器 水平移位水平移位 聚聚 焦焦 调调 节节 CH通道通道灵敏度调节灵敏度调节 （）（） 灵敏度调灵敏度调 节（节（ ） 垂直移垂直移 位（位（ CH1） 触发触发 电平电平 CH1通道通道 垂直移位垂直移位 （CH2） 亮亮 度度 调调 节节 扫描扫描 速度速度 选择选择 3.信号发生器信号发生器 频率调 节 输出超声发射 器驱动信号 输入超声接收 信号 输出信号监测输入信号监测 实验原理实验原理 声速、声源振动频率和波长之间的关系为声速、声源振动频率和波长之间的关系为 式中式中 为声速；为声速； 为频率；为

4、频率； 为波长。为波长。 fv vf 谐振时谐振时,声波频率就是低频信号发生器声波频率就是低频信号发生器 输出频率。因此声速测量输出频率。因此声速测量是通过直接测量是通过直接测量 声波的波长。声波的波长。 一一.驻波法驻波法（共振干涉法）（共振干涉法） 声波波长的测量方法声波波长的测量方法 1.驻波的形成及特点驻波的形成及特点 ) x ft(cosAy 2 1 ) x ft(cosAy 2 2 驻波方程驻波方程 ftcos x 2Acos2 yyy 2 21 任意两相邻波腹任意两相邻波腹(波波 节节)之间的距离为之间的距离为 . 波腹波腹:振幅最大的点振幅最大的点. 对应的位置：对应的位置：

5、/2 (0,1,2)xnn (21)/4 (0,1,2)xnn cos2/0 x cos2/1x 波节波节:振幅最小的点振幅最小的点. 对应的位置：对应的位置： 2 发射换能器发射换能器S1发出的一定频率的平面声波，经过发出的一定频率的平面声波，经过 空气传播，到达接收器（接受换能器空气传播，到达接收器（接受换能器S2）。如果）。如果 接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上 垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反 射面处为驻波的波节。改变接收器与发射源之间射面处为驻波的波节。改变接收器与发射源之间 的距

6、离的距离l，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳 定的驻波共振现象。定的驻波共振现象。 声压变化与接收器位置的关系声压变化与接收器位置的关系 移动接受器时、移动接受器时、 示波器所显示的示波器所显示的 信号幅度会由极信号幅度会由极 大逐渐变小、然大逐渐变小、然 后再变大、相邻后再变大、相邻 二次达到极大值二次达到极大值 的距离为的距离为 2. 由纵波性质和驻波理论可知，接收面按振动位移来由纵波性质和驻波理论可知，接收面按振动位移来 说处于波节时说处于波节时,接收到的声压相应达到最大值接收到的声压相应达到最大值,所接受所接受 电信号最强。电信号最强。 示波器示波

7、器x, y轴输入波的相位差：轴输入波的相位差： 因为因为L改变一个波长时，相位差就改变改变一个波长时，相位差就改变 。利用李。利用李 萨如图形就可以测得超声波的波长。萨如图形就可以测得超声波的波长。 2 /2L 二二.相位比较法（李萨如图形法）相位比较法（李萨如图形法） 当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大 小会随发射小会随发射接收的接收的 距离距离L发生变化，而且椭圆发生变化，而且椭圆 的相位亦发生变化。的相位亦发生变化。 相位差图相位差图 相位差与李萨如图形的关系相位差与李萨如图形的关系 用驻波法或相位法测量声音在空气中 或水中的速度。

8、实验内容实验内容 一寻找系统的谐振频率寻找系统的谐振频率 实验步骤实验步骤 1.转动丝杆寻找信号幅 度最强的位置. 2.调节信号发生器的频 率，使示波器上的信号 幅度最大，此时信号发 生器输出的频率值即为 本系统的谐振频率f0 1. 接好电路（发射器接好电路（发射器激振器、接收器激振器、接收器拾振器、拾振器、 发射监测发射监测触发信号、接收监测触发信号、接收监测CH2 ）。）。 2.选择连续正弦波工作模式（共振法、相位法），预热选择连续正弦波工作模式（共振法、相位法），预热 15分钟。分钟。 3.寻找谐振频率（寻找谐振频率（CH2通道波幅最大时对应的频率）并通道波幅最大时对应的频率）并 记录此

9、频率，在以后的实验中不得更改此频率。记录此频率，在以后的实验中不得更改此频率。 4.将将S2移近移近S1,在距离在距离10cm附近找共振位置（振幅最附近找共振位置（振幅最 大点），移动大点），移动S2，依次记下各振幅极大时的，依次记下各振幅极大时的x值，记值，记 录录10组数据。组数据。 二二. 驻波法测波长驻波法测波长 1. 接好电路（发射器接好电路（发射器激振器、接收器激振器、接收器拾振器、拾振器、 发射监测发射监测CH1、接收监测、接收监测CH2 ）。）。 2.选择连续正弦波工作模式。选择连续正弦波工作模式。 3. 示波器设置为示波器设置为x、y工作状态工作状态,选择适当的档位选择适当的

10、档位,调出李调出李 萨如图形。萨如图形。 3.在共振频率下，使在共振频率下，使S2靠近靠近S1，再缓慢远离，再缓慢远离S1，当示，当示 波器上出现斜线（波器上出现斜线（=0=0、），记下），记下S2的位置的位置x。 4.继续移动继续移动S2,示波器上李萨如图形相位发生周期变化示波器上李萨如图形相位发生周期变化, 依次记下斜线出现时依次记下斜线出现时S2的位置的位置x1，x2，。 三三.李萨如图形法李萨如图形法 实验数据及处理实验数据及处理 驻波法测量驻波法测量空气空气中的声速中的声速 1）实验数据）实验数据 数据数据 数据数据 )(mmLi )(mmLi 1L 2L 3L4L5L6L7L8L9L 10L 11L 12L13L14L15L16L17L18L19L20L 2）逐差法处理实验数据）逐差法处理实验数据 i LLi 10 111LL 212LL 313LL 414LL 515LL 616LL 717LL 818LL 919LL 1020LL )(5mm )mm( 5 10 10 1 1 () 50 ii i LL (1,2,310)i i LLi 10 10 1 () 5 iiiLL ), 3 , 2 , 1(i _ fv 3）空气中声速的理论值）空气中声速的理论值 )K15.273 时的声速K15.273为/45.331式中( 计算出理论值公式用