超声波测声速

1、超声波声速测量声波是一种在弹性介质中传播的机械波，是纵波，其振动方向与传播方向一致。声速是描述声波在介质中传播特性的基本物理量，它与介质的特性和状态因素有关。因此，通过测量介质中的声速，我们可以了解介质的特性或状态变化。如测量氯、蔗糖等气体或溶液的浓度，氯丁橡胶乳液的比重，输油管道中不同油品的界面等。这些问题可以通过测量这些物质中的声速来解决。频率低于20Hz的声波称为次声波；频率为20赫兹 20千赫兹的声波可以被人听到，这种声波叫做可听声波；频率在20千赫以上的声波叫做超声波。超声波的传播速度就是声波的速度。由于超声波具有波长短、易于发射和定向传播的优点，因此可以方便地测量超声波截面内的声速

2、。本实验采用压电陶瓷超声换能器测量超声波在空气中的传播速度。实验目的1.学习相位比较法测量声速的原理和方法，加深对振动合成等理论知识的理解2.了解压电换能器的工作原理和功能，更熟悉信号发生器和示波器的使用3.练习使用逐步的方法来处理数据实验仪器声速测量仪；信号发生器；示波器声速测量仪：它由发射器、接收器和游标卡尺组成。当交变正弦电压信号施加到发射器时，由于压电晶片的逆压电效应，产生机械振动并产生超声波。可移动接收器将接收到的声振动转换成电振动信号，并将它们传输到示波器。接收器的位置由游标卡尺读数决定。图1。声速测量仪用法：左键单击或右键单击传感器，改变传感器表面和水平方向之间的角度。按下右侧传

3、感器的拖动按钮，改变两个传感器之间的距离。单击或按下窗口中上部的微调按钮，慢慢改变两个传感器之间的距离。信号发生器：图2。信号发生器它是一种多功能信号发生器，能输出正弦波、方波和三角波的交流信号。信号频率范围为10赫兹至2000千赫兹，可分步骤连续调节。信号幅度可以连续调节。1.频率显示窗口：显示输出信号或外部测频信号的频率，用五位数字显示信号频率，频率可连续调整(输出信号时)。2.振幅显示窗口：显示功能输出信号的振幅，以三位数显示。3.输出波形，对称调节旋钮(SYM):调节该旋钮以改变输出信号的对称性。当电位计处于关闭或中心位置时，输出对称信号。输出波形对称调节器可以改变输出脉冲信号占空比。

4、同样，当输出波形为三角波或正弦波时，三角波可以变成锯齿波，正弦波可以变成正负半周具有不同角频率的正弦波，相移可以是180。(模拟实验使用的方法：右键单击顺时针旋转，左键单击逆时针旋转。(4.速度调节旋钮(宽度):调节该电位计可以改变内部扫描的长度。在外部测量频率时，逆时针旋转(绿灯亮)，这样外部输入测量信号通过低通开关进入测量系统。5.扫描宽度调节旋钮(速率):调节该电位计以调节扫描频率输出的扫描频率范围。外部频率测量时，逆时针旋转到底(绿灯亮)，使外部输入测量信号衰减“20dB”后进入测量系统。6.外部输入插座：当“扫描/计数键”(13)功能选择外部扫描和外部计数状态时，e9.功能信号输出幅

5、度调节旋钮(AMPL):调节范围为20dB。(模拟实验中使用的方法：连续按下右键顺时针旋转，信号幅度增加；按左按钮继续逆时针旋转，信号幅度减小。(10.功能信号输出信号DC电平预置调节旋钮(OFFSET):调节范围：5v 5v(50w负载)，当电位器在中间位置时，为0电平，输出信号携带的DC电平由信号电平设定器选择。11.功能信号输出幅度衰减开关(att):不按“20db”和“40db”键，输出信号直接输出到插座，不衰减。分别按下“20dB”和“40dB”键，您可以选择20dB“40dB衰减”。12.功能输出波形选择按钮：可选择正弦波、三角波和脉冲波输出。(模拟实验中使用的方法：左键单击在波形

6、之间切换)13.“扫描/计数”按钮：您可以选择多种扫描模式和外部频率测量模式。14.频率范围微调旋钮：调节该旋钮，在一个频率范围内改变频率范围。(模拟实验中使用的方法：连续按下右键顺时针旋转，信号幅度增加；按左按钮继续逆时针旋转，信号幅度减小。(15.频率范围选择按钮：调整该按钮以改变输出频率的一个频率范围，共有七个频率范围。()模拟实验中使用的方法：左键单击在波形之间切换16.整机电源开关：按下此按钮，机器内部电源接通，整机工作。释放此键可关闭整个机器的电源。(模拟实验中使用的方法：左键点击打开和关闭。(示波器：图3。示波器相关知识见示波器的原理和使用。实验原理声波传播速度与声波频率和波长的

7、关系是(1)声速可以通过测量声波的频率和波长来获得，其中超声波的频率可以从信号发生器中的频率显示器中读出，超声波的波长可以通过相位法来测量。超声波传感器用于产生和接收超声波，其中压电陶瓷片是传感器的核心，声速测量仪的发射器和接收器都是超声波传感器。当交变正弦电压信号施加到发射器时，由于压电晶片的逆压电效应，产生机械振动并产生超声波。由于压电晶片的正压电效应，可移动压电超声波接收器将接收到的声振动转换成电振动信号。在本实验中，压电陶瓷片的固有频率为40kHz。当正弦电压信号频率调整到40千赫时，传感器谐振，输出超声能量最大。施加的电信号的频率被微调到40kHz左右，并且当接收传感器输出的电信号的

8、幅度达到最大值时，可以判断电信号和发送传感器已经达到谐振。相位差为2的整数倍的波传播方向上的任意两个位置之间的距离等于波长的整数倍，即正整数)。通过沿传播方向移动接收器，您总能找到接收器信号与发射器激励信号同相的位置。如果继续移动接收器，当接收信号再次与发射器的激励信号同相时，您移动的距离必须等于超声波的波长。为了判断相位差，可以根据合成两个垂直简谐振动得到的李萨如图形进行测量。正弦电压信号被加到发送器并连接到示波器的X输入端，接收器接收的电振动信号连接到示波器的Y输入端。根据振动和波的理论，让发射机S1的声振动方程为(2)如果空气中声波的波长为，沿波线传输到接收器S2的声波的声学振动方程为(

9、3)S1和声学振动的相位差该方程是一个椭圆方程，椭圆的形状由相位差决定。图4同频率垂直振动合成的李萨如图形(a) (b) (c) (d) (e)图4示出了从0到2的相位差的几个特殊值的曲线图。如果初始数字如图(a)所示；当接收器移动距离为半个波长时，模式变为(C)，当接收器移动距离为一个波长时，模式变为(E)，因此声波的波长可以通过观察李萨如模式来确定。当两个信号同相或异相时，它们是倾斜的直线来判断相位差。它的优点是倾斜直线对判断相位差最敏感。声速的理论值由以下公式确定(6)其中，R是气体的摩尔常数，是气体的摩尔质量，T是绝对温度。在0C，声速的理论计算公式，显然在0C，应该是(7)仪器描述发

10、送和接收超声波需要换能器。换能器的功能是将其他形式的能量转换成超声波能量(发射换能器)或其他可检测的能量(接收换能器)。压电换能器是最常用的。压电晶体或压电陶瓷和其他压电材料在受到应力时会在材料中产生电场，这就是所谓的压电效应。压电换能器接收超声波信号并将其转换成电信号。因此，压电效应的原理被用来将机械能转换成电能。当超声频率与系统的固有频率一致时，电信号最强。压电材料在交变电场的作用下会周期性地压缩和拉伸，当外加电场的频率与压电体的固有频率相同时，振幅最大。发射换能器利用逆压电效应将电能转化为超声振动能量，并在周围介质中激发超声波。压电换能器的信号频率在声电转换过程中保持不变。实验内容1.连

11、接并调试声速测量系统如图5所示连接信号源、声速测试仪和示波器，打开仪器电源，预热仪器约15分钟，观察是否平行。信号发生器电压输出图5声速测量仪示意图2.谐振频率的调整根据测量要求，对示波器进行初步调整，将信号源输出的正弦信号频率调整到换能器的谐振频率，使换能器能够发出较强的超声波，能够更好地将声能转换为电能，并取得了良好的实验效果。方法如下：(1)将测试模式设置为连续模式，按下CH1开关，调整示波器，清晰观察同步正弦信号。(2)调节信号源上的“发射强度”旋钮，使其输出电压约为20Vp-p，移动并靠近对方，按下CH2开关，调节信号频率，观察接收波的电压幅度变化。在某一频率点(34.5千赫至39.

12、5千赫之间，取决于不同的传感器或介质)，电压幅度最大。更改和之间的距离，以最大化示波器的正弦波幅度3.相位比较法测量声速(1)调整靠近但不能触摸的位置，由近变远，观察示波器，记录10个振幅最大值(=0，1，2，10)。(2)将示波器设置为X-Y显示模式，适当调整示波器，将出现李萨如图。(3)在示波器上移动观察李萨如图形的变化，选择图形为某一方向的对角线时的位置作为测量的起点，并连续记录位置(=0，1，2，9)当12组图形是同一方向的对角线时。(4)通过逐步处理数据来计算波长。数据记录和处理1.根据下表记录所有实验数据，用差值法计算波长。表1输入电压峰峰值：输入频率32.两端应该平行；打开信号源电源后，不允许接触。3.注意换能器系统谐振频率的调整。首先进行粗调，然后进行精调。调整后不能改变，否则必须重新测量数据。4.测量波长时，注意在最大振幅或线性状态下读数；读取时，应预先估计最大或重叠波形的位置，并进行微调。滚筒不应来回转动，以免返回错误。5.由于声波传播过程中存在能量损失，驻波的振幅随着接收端面远离发射端面而逐渐衰减，但不改