超声波测液体浓度

1、 超声波测液体浓度 工业0901班 09224004 常晓娥 实验时间：第二轮周一晚上 老师：马尚荣1、 实验任务 溶液中的声波的传播速度与溶剂的浓度有密切关系，试设计一种超声波测声速的测量方法，定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后弄够测量出未知溶液的浓度，精度不低于5%。2、 实验要求 1、参阅相关资料。了解超声波换能器种类，特别是压电式超声波换能器工作原理。 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。3、 实验方案由于实验是通过测量在不同浓度下的声速，来推测最后未知浓度。 声波是一种弹性媒质中

2、传播的纵波，波长、强度、传播速度等是声波的重要参数，超声波是频率大于20 kh 的机械波，本实验利用声速与振动频率f 和波长之间的关系v = f 来测量超声波在空气中的传播速度。sv5 型声速测量组合实验仪（含专用信号源），可以做时差法测定超声波传播速度的实验；配以示波器可完成利用共振干涉法，双踪比较法和相应比较法测量声速的任务。本声速测量仪是利用压电体的逆压电效应而产生超声波，利用正压电效应接收超声波，测量声速的四种实验方法如下：（由于声波频率可通过声源的振动频率得出，所以测量声波波长是本实验主要任务。）（1）李萨如图形相位判别法频率相同的李萨如图形随着的不同，其图形的形状也不同，当形状为倾

3、斜方向相同的直线两次出现时，变化2 ，对应接受器变化一个波长。（2）共振法由发射器发出的平面波经接受器发射和反射器二次反射后，在接受器与发射器之间形成两列传播方向相同的叠加波，观察示波器上的图形，两次加强或减弱的位置差即为波形。（3）双踪相位比较法直接比较发信号和接收信号，同时沿传播方向移动接受器位置，寻找两个波形相同的状态可测出波长。（4）时差法测出脉冲声速传播距离x 和所经历时间t, 便可求得声速。根据实验的可操作性，为了实验的操作更加容易，数据处理更加方便。我选择了利用李萨如图形相位判别法。实验仪器：示波器，长方形水槽超声波发射接收装置基本原理：1声波在空气中的传播速度假设空气为理想气体

4、，则声波在空气中的传播可以近似为绝热过程，传播速度可以表示为：式中r为摩尔气体常数（8.314j/mol.k）；是比热容比；t为空气的绝对温谩；为空气分子量，如果以摄氏度计算，将0时声波在空气中的传播速度记为（），空气的温度为时，声速可以表示为：2超声波的发射与接收压电换能器。本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的转换，压电换能器做波源具有平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时，由于频率在超声范围内，一般的音频对它没有干扰。频率提高，波长就短，在不长的距离中可测到许多个，取其平均值，测定就比较准确，这些都可使实验的精度大大提高。压电陶瓷超声换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成。

5、压电陶瓷片（如钛酸钡、锆钛酸铅等）是由一种多晶结构的压电材料做成的，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力t时，在极化方向上产生一定的电场强度e，它们之间有一简单的线性关系e=gt；反之，当与极化方向一致的外加电压u加在压电材料上时，材料的伸缩形变s与电压u也有线性关系sdu。比例常数g、d称为压电常数，与材料性质有关。由于e、s、t、u之间具有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的波源；同样也可以使声压变化转变为电压的变化，用来接收声信号。在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属，组成夹心型振子，头部

6、用轻金属做成喇叭型，尾部用重金属做成锥型或柱型，中部为压电陶瓷圆环，紧固螺钉穿过环中心。这种结构增大了辐射面积，增强了振子与介质的耦合作用。由于振于是以纵向长度的伸缩直接影响头部轻金属作同样的纵向长度伸缩（对尾部重金属作用小），这样所发射的波方向性强，平面性好。3声速测量的基本原理在波动过程中波速，波长和频率f之间存在着下列关系： （1）实验中可通过测定声波的波长和频率f来求得声速，在下介绍相位比较法。二、相位比较法测量声速声波从声源经过传输媒质到达接收器，在发射波和接收波之间产生相位差，此相位差和角频率（=2f）、传播时间t、声速、距离1、波长之间有下列关系：由上式可知，若使相位差改变，那么

7、发射面和接受面之间的间距1就要相应地改变半个波长/2；相位差改变2，那么发射面和接受面之间的间距1就要相应地改变一个波长。于是，根据相位差或2变化，便可以测量出波长来。声波频率由信号发生器读出，根据式（1）便可算出声速。相位差可以通过示波器来观察，实验装置如图2所示。互相垂直的两个谐振动的叠加，能得到李萨如图形。如果两个谐振动的频率相同，则李萨如图形就很简单，随着两个振动的相位差从02的变化，图形的变化从斜率为正的直线椭圆斜率为负的直线椭圆斜率为正的直线。选择判断比较灵敏的亦即李萨如图形为直线的位置作为测量的起点，每移动一个波长的距离就会重复出现同样斜率的直线。 相位比较法测量声速实验装置示意

8、图4、 实验步骤1、配置定浓度的氯化钠水溶液。2、在长方形的水槽中加入400ml浓度为0.16的溶液，测量溶液中声速。3、在示波器中调出李萨如图形。4、观察李萨如图形的图形变化，在相位变化2时即为一次，在变化10次时记录一次位置，这样重复3次。5、在浓度分别为0.16，0.15，0.14，0.13，0.12，0.11，0.10，0.09时，重复4步骤。6、分别算出不同浓度下的声速。7、在计算机上做出浓度与声速的图像。8、定量分析浓度与声速的关系。9、在未知浓度下重复步骤4测声速，测的声速运用在步骤8中图形估计出液体的浓度。五、测得的数据浓度x0x10x20x30v0.164.067.4010.

9、7213.940.30916450.153.857.0810.3013.540.32316150.142.876.109.3112.500.31715880.133.826.9310.0813.750.31315750.124.357.0810.4213.750.31315650.112.735.838.9512.070.31115560.103.306.9010.2313.540.30815420.093.406.479.5412.580.3061530f=500hz上表对应图像：未知浓度液体的测量数据啊x0x10x20x303.126.279.3812.57= 3.155v=1612m/s

10、有图表可推得： 液体浓度=0.1476、 解答问题：1、 压电式超声波换能器工作原理： 压电陶瓷换能器的原理是：当对这种陶瓷片施加压力或拉力，它的两端会产生极性相反的电荷，通过回路而形成电流。这种效应称为压电效应。如果把用这种压电陶瓷做成的换能器放在水中，那么在声波的作用下，在其两端便会感应出电荷来，这就是声波接收器。而且，压电效应是可逆的，假如在压电陶瓷片上施加一个交变电场，陶瓷片就会时而变薄时而变厚，同时产生振动，发射声波。这样超声波发射器的问题也就解决了。2、本实验用逐差法处理数据 若yb0+ b1x，测得一系列对应的数据 x1，x2，xk ，xn y1，y2，yk，yn 逐项逐差，得到： y2y1y1 y3y2y2 yk1ykyk因为y对于x成线性关系，且x为等间距变化，故yk常量。所以，若对实验测量值进行逐项逐差，得到 yk常量则证明y对于x成线性关系。优点： 充分利用测量数据，更好地发挥了