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1、第26卷第6期物理实验Vol.26No.62006年6月PHYSICSEXPERIMENTATIONJun.,2006超声换能器表面的振动状态胡险峰(四川大学物理学院,四川成都610064)摘要:从超声波在波密介质和波疏介质之间的传播以及诱发共振发射超声波的角度,讨论了空气中超声声速测量实验所用超声换能器的表面振动状态.理论分析及实验测量结果表明:超声换能器表面振动状态与其结构有关,超声接收器表面位移振幅一般不为零.关键词:超声换能器;声速;应力中图分类号:TN712.6;O422文献标
2、识码:A文章编号:10054642(2006)06000305A221引言=#t.(1)AZ21+Z1在大学基础物理实验中,超声声速测量实验式中A,A1∀,A2分别为入射波、反射波和透射波采用的超声发送器和接收器的结构和性能在教材的位移振幅,Z1和Z2分别为介质1和介质2的中一般没有介绍.仅仅指出发送器和接收器之间声阻,r和t分别为反射比和透射比.下面就3种形成驻波时,接收器表面是驻波的波节,且所受应入射情况进行讨论,见图1所示.力最大.为什么是波节没有讨论,或从波密介质对声波反射的角度加以说明.在教学中学生常常提到这个问题.本
3、文从声波在波密介质和波疏介质之间的传播,以及诱发共振发射声波的角度讨论这一问题.2界面附近质点位移和应力(a)从波疏介质入射波密介质超声换能器置于声场中,由于换能器和空气[1]的声阻Z(介质的密度与介质中声波的速度v之积v)不同,在换能器一侧,一般是轻金属材料72铝,铝的声阻ZAl1.3510kg/(m!s);在另22一侧的空气声阻Zair4.2910kg/(m!s),两-5者的比值Zair/ZAl310.因此,换能器和空(b)从波密介质入射波疏介质气之间的界面是声场的阶跃面,在阶跃面上声波要发生反射和透射.无限大介质中,若阶跃面两
4、侧只有一侧有入射波射到阶跃面上,阶跃面上入[2]射波、反射波和透射波的关系为Z21-A1∀Z1=#r,AZ2(c)两侧均有声波入射1+Z1图13种入射情形收稿日期:20060113;修改日期:20060302作者简介:胡险峰(1962-),男,四川大学物理学院副教授,硕士,主要从事基础物理实验教学.4物理实验第26卷2.1声波从波疏介质射入波密介质幅为最大.从波疏介质透射入波密介质的位移波设介质1为空气,介质2为铝,入射位移波为的振幅很小可以忽略,从波疏介质射向波密介质y的声波对波密介质的作用是在阶跃面上
5、施加应xiair=Aesint-,(2)vair力.式中vair为空气中的声速.由(1)和(2)式,反射位2.2声波从波密介质射入波疏介质移波xr和透射位移波xt,分别为设介质1为铝,介质2为空气,入射位移波为yxrairrAesint+,yvairxiAl=Aisint+.(5)vAlyxtAltAesint-,同样由(1)和(5)式,可得反射位移波和透射位移vAl波分别为式中vAl为金属铝中的声速.入射波的传播方向y与反射波的传播方向相反,与透射波的传播方向xrAlrAisint-,vAl相同,所以,反射位移波中空间相位与入
6、射位移波yxtairtAisint+.的空间相位符号相反.vair由应力与应变!的关系=Y!,纵波的声速同样可得入射应力波、反射应力波和透射应力波v=Y/,声阻Z=v=Y,以及介质中微小体分别为元的应变!=x/y,可以得出入射应力波、反射yiAl=ZAlAicost+,vAl应力波和透射应力波分别为yyrAl-ZAlrAicost-,iair=-ZairAecost-,vAlvairyytairZairtAicost+.rairZairrAecost+,vairvair-5因Zair/ZAl3101,由
7、(1)式有ytAl-ZAltAecost-v.ZairAlr1-2,-5ZAl因Zair/ZAl3101,由(1)式有:Zairr-1,t21-.ZAlt2Zair/ZAl.在波密介质一侧,入射波与反射波的叠加为在波疏介质一侧,入射波与反射波的叠加为2∀yxiAl+xrAl2Aicossint,2∀y#Alxiair+xrair-2Aesincost,#air(3)2∀yiAl+rAl-2ZAlAisinsint+2∀y#Aliair+rair-2ZairAecoscost.#air2∀y2ZairAi
8、cost-.(6)其中2∀/#air=/vair,#air为声波在空气中的波长.#Al在波密介质一侧,透射波为在波疏介质一侧,透射波为Zair2∀
