水中声速和温度关系的试验研究

1、水中声速和温度关系的实验研究 超声波是一种研究液体分子物理特性及其化学特性的 简易方法 , 早在 20 世纪 70 年代人们就重视用超声波进行液 体分子物理及其相关性质的研究 1-5,90 年代又有不少研 究报道 6-9 。但是声速随温度变化复杂 , 需要我们做进一步 的探索。本文利用时差法来测量了超声波在液体中的传播特 性。下面具体介绍利用超声波测定声波在水中的传播速度随 温度变化的测量原理和测量方法。2 实验原理2.1 时差法测量声速 时差法测量声速是利用已知声波传播的距离 , 测量发射脉 冲和接收脉冲之间的时间差。计算出声速在液体中的传播速度 , 即超声波 10 (1) 时差法其中VL的

2、是位移之差，VT是传播所用的时间。 在储液槽中注入液体 , 直至将换能器完全浸没 , 但不能超过 液面线。注意 : 注入液体时 , 不能将液体淋在数字显示表头上。 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。测量液体声速时 , 由于在液体中声波的衰减较小 , 因而存在 较大的回波叠加 , 并且在相同频率的情况下 , 其波长要大得 多, 用驻波法和相位法测量时可能会有较大的误差, 所以建议采用时差法测量。2.2 陶瓷换能器工作原理频率在 20Hz20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形 成超声波超过20KH 超声波 , 超声波的传

3、播速度就是声波的传播速度 , 而超 声波长短 , 易于定向发射等优点 11, 声速实验声速所采用的声波频率一般都在 2060kHz 之间。此频率范围内 , 采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器 ,接收 效果最佳。压电陶瓷换能器根据它的工作方式 , 分为纵向 ( 振动) 换能器。声速 教学实验中大多数采用纵向换能器。图 3 为纵向换能器的结构 ,用示波器观察 波谷和波峰 , 或观察两个波间的相位差 , 原理是正确的 , 但读 数位置不易确定。较精确测量声速是用声波时差法。时差法 在工程中得到了广泛的应用 , 它是将经脉冲调制的电信号加 到发射换能器上 ,声波在介质中传播 , 经过时间后 ,到达距离

4、 处的接收陶瓷换能器图 2水中声速与温度关系的实验研究3 实验方法3.1 时差法测量声速操作方法(1) 实验时只要按图 3 连接中换能器的 S2 该接在信号源的S2上再把信号源上的 丫1,丫2顺次与示波器上的 丫1,丫2接通即可。(2) 将测试方法设置到脉冲波方式 , 将换能器的 S1,S2 调节 到一定距离 , 在调解接收增益 , 使得显示的时间差值读数稳 定, 此时仪器内置的计数器工作在最佳状态 , 记录此时的距 离值和时间值。 移动 S2, 如果计时器读数有跳变 , 则微调接收 增益(距离大时 , 顺时针调节 ; 距离小时 , 逆时针调节 ), 使得 计数器连续稳定的变化。(3) 将测试

5、方法设置到脉冲波方式。 在仪器使用前，开启电源预热15min。接通市电后，自动 工作在连续波方式 , 选择蒸馏水为介质。“传播介质”按钮 选择液体。(5) 将S1和S2之间的距离调到一定距离(50mm)再调节接收增益，使示波器上显示的接收波信号幅度在400mV左右( 峰峰值 ), 以使计时器工作在最佳状态。然后记录此时的 距离值和显示的时间值 Li 、(时间由声速测试仪信号源时间 显示窗口直接读出 ) 。保持距离不变随着温度的逐渐降低 , 记 录下当时的时间值。(6) 当使用液体为介质测试声速时 , 先在测试槽中注入液体 直到把换能器完全浸没 , 但不能超过液面线。然后将信号源 面板上的介质选

6、择键切换至“液体” , 并将连线接至插入接线盒的“液体”接线孔中 , 即可进行测试 ,3.2 时差法线路连接图声速4 记录数据和数据处理4.1 记录数据测量次数i温度T ( C )距离L ( )1 20 216.51 1642 27 216.51 1633 36 216.51 1624 48 216.51 1615 59 216.51 1606 70 216.51 1597 73 216.51 158表 1 蒸馏水中温度与速度关系实验研究数据测量次数i温度T ( C )距离L ( )1 20 216.51 1442 30 216.51 1433 40 216.51 1424 54 216.51

7、 1415 58 216.51 1406 62 216.51 139步骤与上相同时间 t (us)时间 t (us)7 66 216.51 1388 70 216.51 1379 73 216.52 136表 2 自来水中温度与速度关系实验研究数据记录4.2 数据处理由时差法速度由计算公式水中声速与温度关系的实验研究10 可得。 例如 V=L/t=216.51/164=1320m/s 其余计算结果 见下表 :测量次数i温度T ( C )距离L( mm)时间t (us) 速度v(m/s)1 20 216.51 164 13202 27 216.51 163 13283 36 216.51 162

8、 13364 48 216.51 161 13445 59 216.51 160 13536 70 216.51 159 13627 73 216.51 158 1370表 3 蒸馏水中温度与速度实验研究数据处理测量次数i温度T ( C)距离L( m )时间t (us) 速度v(m/s)1 20 216.51 144 14902 30 216.51 143 15103 40 216.51 142 15174 54 216.51 141 15305 58 216.51 140 15426 62 216.51 139 15577 66 216.51 138 15688 70 216.51 137

9、15809 73 216.51 136 1592表 4 自来水中温度与速度实验研究数据数据处理4.3 绘制曲线图温度5 实验结论与讨论本文利用时差法测量超声波在液体中声速的传播特性。实 验测量原理简单 , 方法可行 , 测量结果精确度高。本文以蒸馏 水和自来水为例。检测了水在 2073C温度范围超声波在水 中声速与温度关系的传播特性。给出了不同温度下速度与温 度的关系曲线图。实验结果表明随着温度的升高声速变大。 虽然在同一温度范围内测量声速 ,但自来水和蒸馏水中的变 化趋势明显不同 , 蒸馏水中声速变化均匀 , 而自来水中声速 随温度变化较复杂，在2055C声速变化较缓慢。5573C声 速变化较快。这与它们的成分不同有关 , 自来水中成分复杂。 这其中主要因素主要是因为散射、 衰减、吸收、外界因素等。 为完善检测方法和检测系统提供了参考。从资料中可知 , 当 外界压强为一个大气压时 , 超声波在水中的声速先是由温度 的升高而变大，直至温度达到73C时为止，然后随温度的继 续升高而减少12。由于实验条件所制，本实验无法测量 73C 以后声速随温度的变化关系。6 结束语结果表明 , 在自来水和蒸馏水中声速随温度的升高而增加 , 而且自来水中的声速比蒸馏水中的声速大。且在同一温度变 化范围内 , 自来水中比在蒸馏水中声速的变化趋势大 ,