超声波传播速度的测量

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1、超声波传播速度的测量【教学目的】1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。2.了解压电换能器的功能。3.学习用逐差法处理数据。【教学重点】1.掌握本实验的原理，熟悉各仪器的使用。2.能够运用驻波共振法和相位比较法准确的测出超声波在空气中的传播速度。【教学难点】理解并掌握驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度的原理及方法。【课程讲授】提问：1.本实验中的超声波是如何获得的？2.如何利用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度？一、实验原理频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传

2、播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。根据声波各参量之间的关系可知,其中为波速,λ为波长,为频率。图1共振法测量声速实验装置在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率求声速。声波的频率可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。图2 相位比较

3、法测量声速实验装置1.相位比较法实验装置接线如图2所示，置示波器功能于X－Y方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动方程为：在发射波和接收波之间产生相位差：见图3，随着振动的相位差从0～的变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线，测得了波(a)(b)(c)(d)(e)图3合成振动长和频率，根据式即可计算出声音传播的速度。改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L不断变化。显然，当S1、S2之间

4、距离改变半个波长，则＝。2.共振干涉(驻波)法测声速由声源S1发出的声波（频率为），经介质（空气）传播到S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。反射面处是位移的波节，声压的波腹。改变接收器与发射源之间的距离L，在一系列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波共振现象。此时L等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。通过压电转换，产生的电信号的电压值也最大（示波器显示波形的幅值最大）。因此

5、，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离ΔL，即可得到该波的波长λ（λ=2Δx），并用计算出声速。二、实验仪器SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等。压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力时，在极化方向上产生一定的电场强度且具有线性关系：,即力→电，称为正压电效应；当与极化方向一致的外加电压加在压电材料上时，材料的伸缩形变与之间有

6、简单的线性关系：图1纵向换能器的结构，即电→力，称为逆压电效应。其中为比例系数，为压电常数，与材料的性质有关。由于与，与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变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源。即压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器，反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶瓷片作为声频信号接收器。因此，压电换能器可以把电能转换为声能作为声波发生器，也可把声能转换为电能作为声波接收器之用。压电陶瓷换能器根据它的工作方式，可分为纵向(振动)换能器、径向(振动)换能器及弯曲振动换能器。

7、图1所示为纵向换能器的结构简图。三、实验步骤1.声速测试仪系统的连接与调试接通电源，信号源自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态，预热15min。声速测试仪和声速测试仪信号源及双踪示波器之间的连接如图2所示。1）测试架上的换能器与声速测试仪信号源之间的连接信号源面板上的发射端换能器接口(S1)，用于输出相应频率的功率信号，接至测试架左边的发射换能器(S1)；仪器面板上的接收端的换能器接口(S2)，请连接测试架右边的接收换能器(S2)。2）示波器与声速测试仪信号源之间的连接信号源面板上的发射端的发射波形(Y1)，接至双踪示波

8、器的CH1(X)，用于观察发射波形；信号源面板上的接收端的接收波形(Y2)，接至双踪示波器的CH2(Y)，用于观察接收波形。2.共振频率的调试测量只有当换能器S1和S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波