声速测定仪的改进及声速测量方法的研究精

1、声速测定仪的改进及声速测量方法的研究摘要:改进声速测定仪，声速测量方法的研究与思考关键词:声速测量；测量方法分析；纵所周知，振动频率在（20-20000Hz的声波可以被人耳听到，被称为可闻波，频率在20kHz以_h的声波称为超声波。声波的波长、强度、传播速度、频率、声压衰减、相位等是声波的重要特性。对声波特性的测量是声学在应用技术的一个重要内容，特别是声波波速（简称声速的测量，在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要意义。共振干涉法、相位比较法、时差法这三种方法的偶然误差主要来源是读数误差.在实验过程中，虽然测试的距离值由数显标尺来读数，而且数显标尺可自动读数.但是位置的确定要从示波器的波形位置

2、来确定.而示波器的波形位置直接决定了数显标尺飙的值.波形最大或最稳定则是人为认定的.从这个角度来看，它们的偶然误差也是一样的.以上四个方面比较表明，共振干涉法和相位比较法无论是原理、仪器、操作,还是误差分析，有更多的共同之处.而时差法则和前两个方法的不同则更多一些共振干涉法和相位比较法一直是实验室研究中经常用到的，而时差法则比较经常出现在工业测量上.【1】声速的测量方法有多种，实验室常用方法是利用声速与声波频率，及波长的关系进行测量.谐振频率，由频率计直接读出，关键是测出声波的波长.由于超声波波长短、容易测量、不可闻等优点，多数实验室选用超声声速测定仪，调节两换能器互相平行进行测量.但在该实验

3、教学实践中发现，声速测定仪两换能器互成某一角度时接收换能器也能够接收到交变信号，是否能够利用这一交变信号测量声速呢？1 .声速测定仪的改进为了实现两换能器的法向夹角能图1sw”望再速激定仪图3改进后的胃速测定仪图4非直液体中声速装置成任意角度，从而使接收换能器能在发射换能器的不同方位上测量声波，必须在速测定仪的基础上进行简单的改进.声速测定议的结构如图l所示,一换能器固定在边沿上，另一换能器固定在可移动底座上，但换能器的方向不能自由转动.据此，用铝合金制成如图2所示的延长臂A和换能器套圈B.将原声速测定仪的套圈固定螺丝卸下，装上延长臂，并用套圈固定螺丝套紧；延长臂A的另一端用螺丝跟B套紧后，在

4、套圈B装J二压电陶瓷换能器，并旋紧边沿上的三根螺丝.改进后的声速测定仪如图3所示.接收换能器与发射换能器的端面可以调节平行或者成任意角度.改装后的声速测定仪还可以测量声波在液体中的速度，在声测定仪的前侧放置一液体槽，延伸臂可以很方便地伸入液体内，测量超声波在液体中的传播速度如图4所示.声速测定仪的改进，扩大了仪器的使用范围.【2】根据谐振、共振和波的反射、迭加性质，测量波的传播速度的方法，是一种重要的思想方法，但在测量超声波波速的方法和装置中，存在三个影响测量结果的问题：一是振动源的稳定性，二是观察振动情况的示波器灵敏度，三是发射器和接收器的固有频率不相等。2 .信号发生器的输出频率对测量结果

5、的影响用于产生超声波信号的信号发生器，输出正弦波信号，送至发射器，将电信号转换为机械振动发射出超声波，如图1所示。当信号发生器输出的正弦波频率等于发生器的固有频率，则产生谐振，发生器的振动最强，产生的超声波能量最大。但当信号发生器输出的正弦波频率不稳定，出现漂移时，必然使发射器的振动频率和强度也发生变化，从而使产生的波能量强度也随之减少。因为谐振时，振动最强，信号发生器输出信号频率漂移时，使发射器工作在非谐振状态，所以产生的超声波强度就变小，同时因频率变化而导致波长发生变化，共振干涉点的位置，也发生变化，接收器就难以找到确切的共振干涉点，测量结果就有更大的误差。一般的信号发生器输出频率的相对误

6、差为1%【3】，发射器的固有频率在40K左右，所以绝对误差为400赫兹左右，可见，产生的影响是较大的。用共振干涉法或相位比较法测量超声波的速度，均与频率或波长有关，所以要提高测量结果的精确度，须用性能较好的输出频率稳定的信号发生器。3 .示波器的灵敏度对测量结果的影响图1超声波破速测量装置示意国接收器接收到的超声波，转换为电信号后,送往示波器加在y偏转板上，从而显示超声波的波形和幅度，如图1所示。当接收器接收到超声波强度的大小发生微小变化时，示波器能否反映出来，就取决于示波器y偏转的灵敏度和幅度线性。示波器的灵敏度越高，幅度线性越好，就越能反映超声波强度大小的微小变化，测量结果也就越精确。但由

7、于波形幅度受示波器显示屏大小及几何尺寸的制约，不能超过屏幕的最大尺寸，否则就无法观察和比较波形和幅度，所以Y偏转增益不能过大。一般示波器的最高灵敏度为Imvldiv，误差为10%0解决的办法是将幅度调到刚好在荧光屏的最大值范围内，可使误差减少到仪器所能达到的最小程度。4.发生器和接收器的固有频率不一致对测量结果的影响发射器探头与接收器的探头由于都有各自的固有频率，并且很难做到相等，一般相差几十至几百赫兹。对利用共振干涉法测量波长影响较大，因为共振干涉法比较的是能量的大小，找的是能量最大值的位置，即共振点，不同的固有频率使得出现能量最大值的位置增多，范围变宽，能量幅度最大值不再是一个位置，而是一个区间，从而使测量误差增大。对利用相位比较法测量的结果影响不大，因为相位比较法,比较的是发射波与人射波的相位差，而不是能量的幅值，只要找到相位相等的相邻点的位置，即可测量出波长的大小。【4】可见相位比较法只与频率有关，与能量无关，而共振干涉法与频率和能量均有关，测量结果没有相位比较法的准确。因此,当发射器与接收器的固有频率相差较大时，宜采用相位比较法，不宜用共振干涉法。参考文献【1】黄贤群.SW-1型声速测定仪的改进及声速测量方法的研究.韩山师范学院学报，2008,29(06:49-52【2】毛杰健,杨建荣.超声波波速测量装置中存在的三个问题.上饶师