实验超声波声速的测量

1、v二f(24-1)超声波声速的测量（301 ）一、实验目的1. 了解压电陶瓷换能器的工作原理2. 培养综合运用仪器的能力3. 学习用共振干涉法和相位比较法测量超声波的波速4. 加深对驻波及振动合成等理论知识的理解二、实验仪器示波器、信号发生器、超声波声速测定仪、导线三、实验原理声波是一种在弹性介质中传播的机械纵波 频率在 2020 OOOHz 的声波为可听声波 低于20Hz 的声波为次声波，高于 20 000Hz 的声波为超声波，这两类声波不能被人耳听 到，但与可听声波性质相同本实验采用压电陶瓷超声波换能器，来产生和接收超声波 瓷超声波换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属， 组成夹心结构头部用铝

2、做成喇叭形，尾部用铜做成 锥形，中部为压电陶瓷环，螺钉穿过环的中心压电 一陶瓷片由多晶结构的压电材料（如钛酸钡、锆钛酸 铅）制成，在一定的温度下经极化处理后，具有压 电效应.即压电材料受到与极化方向一致的应力T时，在极化方向产生一定的电场强度E，且有线性关系E二kT；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s = k U，比例系数k、与材料性 质有关.由于E与T、s与U之间有简单的线性关 系，因此我们就可以将正弦交流电信号，转变成压 电材料的纵向长度伸缩，从而成为超声波的波源； 同样也可以把超声波的声压变化，转变为电压的变化，用来接收超声波信号声

3、波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为1.铝头 2.压电陶瓷圆环3.黄铜尾部4.螺钉.如图 24-1 所示，压电陶24图24-1实验中，声波频率f可由信号发生器直接读出，我们只要测出声波波长 ，就可求出声速V.测量的常用方法有共振干涉法和相位比较法（）驻波法（共振干涉法）实验装置如图 24-2 所示，Si和S2是两只相同的压电陶瓷超声换能器，Si用作发射器，S2为接收器低频信号发生器输出的正弦电压信号，接入换能器Si，s将此信号转变为超声波信号，发射出平面超声波换能器S2在接收超声波的同 时，还反射一部分 超声波这样，由S1发射的超声波和由S2反射的超 声波，在S1和S,端面之间干涉，产 生

4、驻波共振现象（二）相位比较法实验装置如图（24-2）所示，Si发出的超声信号经空气传播到达接收器S2，S2接收的信号与Si发射的信号之间存在相位差=:(24-4)本实验中，把S发出的信号直接引入示波器的水平输入，并将S2接收的信号引入正弦电压信号，接入示波器进行观HZDH 信号源SiYi丫丫2S21 (i 8示波器Yi丫丫2O0图24-2SiS2示波器垂直输入.这样，对于确定的间距x，示波器上将有两个同频率、振动方向相互 垂直、相位差恒定的两个振动进行合成，从而形成李萨如图形.连续移动S2，增大S2与Si的间距x，可使相位差变化，并依次满足:汁兀3：=0,，二,2二，2 2相应地，示波器将依次

5、显示如图24-3 :图24-3因此，当相位差从=0 变化到 二-时，李萨如图形从“ /”变化到“ ”，相应的间距x的改变量为.X;同理，当相位差从 厶=二变化到A二2二时，李2萨如图形从“ ”变化到“ /”，相应的间距x的改变量也是x=-，由此测得波长.2四、实验内容（一）仪器调整1. 按图 24-2 连接声速测试仪、声速测试仪信号源和双踪示波器注意：发射端波形接口Yi连接示波器 EXT 接口；接收端波形接口丫2连接示波器 CH2 通道.2. 接通电源后，仪器自动工作在连续波方式，预热5 分钟.仪器正常工作后，首先调节声速测试仪信号源的连续波强度和接收增益两旋钮（输出电压在1015V），并且调

6、整频率调节旋钮（频率在 2545KHz）.3. 打开示波器，预热 2 分钟.调整示波器，在水平方向接入扫描信号，在垂直方向 接入接收端波形，并使图形稳定.4. 调节信号频率，观察频率调节时接收电压的幅度变化.在某一频率时电压幅度最大，该频率值就是测试系统的共振频率 改变s和S2间距，重复调整，多次测定共振频 率，取平均值为实验频率（二）驻波法测声速1.把信号频率设定为共振频率2.将S2移到接近 3 处（不要相接触）.从约 3cm 间距开始，由近至远缓慢移动S2，当示波器上出现振幅最大的波形时，从数显尺（或机械刻度）上读出读数3. 沿同一方向，再次移动S2，逐个记录振幅最大时的位置x1,x2,.

7、 , x7，共 8个.4. 将数据记入表格 24-1，并记录实验时的室温t.用逐差法处理数据，由下面给出的 公式，计算波长、声速和误差：14 1 -平均值丨ln，波长丨，实验声速V= f乂，理论声速4n二2jTt + 273 15叫T亠.45上丽p（Vo=3345m s是=273亦时空气中的v实V理声速），相对误差E= U-X100%V理（三）相位比较法测声速1. 将信号频率设定为共振频率.2. 调整示波器，在水平方向接入发射端波形，在垂直方向接入接收端波形，使示波器上显示出椭圆形李萨如图形 .3.缓慢移动S，观察示波器屏幕上是否出现直线-椭圆-直线的图形变化4.从约 3cm 间距开始，由近至

8、远缓慢移动S2，使示波器上出现一正斜率直线“/”（或负斜率直线”），记下相应的读数X0.5.移动S2，逐渐增大间距，使示波器屏幕上交替地出现直线X。 .和“ /”，依次记录其位置X1, X2,. ,X7，共 8 个.6.将数据记入表格 24-2，并记录实验时的室温t.五、注意事项1. 仪器使用中，应避免声速测试仪信号源的输出端短路；2. 实验中，S和S2不能互相接触，否则会损坏压电换能器；3. 由于声波在空气中衰减较大，声波振幅随S2远离S1而显著变小，实验时应随时调节示波器垂直方向的衰减旋钮；4. 螺旋来回转动会产生螺距间隙偏差，测量时应沿一个方向转动超声波测试仪鼓轮.六、数据处理七、误差分析八、附原始数据记录表格(注：实验时记录在原始数据上用)表 24-1驻波法法测声速tc),f(Hz)次数01234567xn(cm)