实验24声速的测定

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1、声速的测定在弹性介质中，频率从20Hz到20kHz的振动所激起的机械波称为声波，高于20kHz，称为超声波，超声波的频率范围在2×104Hz-5×108Hz之间。超声波能在固体、液体和气体中传播，传播速度就是声波的传播速度。超声波具有波长短、穿透本领强、易于定向发射等优点，常用作声速测量中的波源。超声波在测距、定位、测液体流速和测量气体温度等方面有其显著的优势，尤其是在临床医学中，超声、电子技术和计算机的完美结合，在研究人体内部组织超声物理特性和病变间的某些规律方面，已成为不可缺少的诊疗手段，并发展为一门边缘学科即超声诊断学。声速作为超声波

2、的重要参数，无论是基础研究，还是临床应用，它的测量都具有重要意义。一．实验目的1．了解超声波的产生、发射和接收的原理；2．用驻波法、位相法和时差法测量空气中的声速；3．进一步熟悉示波器的使用；4．学习用逐差法处理测量数据。二．实验仪器SV-DH系列声速测试仪，MDS-620双踪示波器，声速测试仪信号源。三．实验原理1．声波在空气中的传播速度声波在理想气体中的传播速度为（1）式中γ是比热容比（γ=CP/CV），R是普适气体常数，M是气体的摩尔质量，T是热力学温度。从式（1）可见，温度是影响空气中声速的主要因素。如果忽略空气中的水蒸气和其他杂质

3、的影响，在0℃（T0=237.15K）时的声速在t℃时空气中的声速为（2）式（2）中的室温t可从干湿温度计（见附录）上读出。由（2）式可计算出声速，（2）式可作为空气中声速的理论计算公式。-6-2．超声波与压电陶瓷换能器本实验采用压电陶瓷换能器作为超声波的发射器和接收器。压电陶瓷换能器的工作方式分为纵向（振动）、横向（振动）和弯曲振动三种，教学实验中大多采用纵向换能器，其结构如图1所示。其中压电陶瓷晶片是传感器的核心，它是利用压电晶体的逆压电效应产生超声波，即在交变电压的作用下，压电晶体产生机械振动，因而在弹性介质图1超声波纵向换能器的结构

4、简图（空气）中激发出声波，再利用压电晶体的压电效应在另一端接收超声波。辐射头为喇叭状，使发射和接收超声波有一定的方向角，且能量比较集中。本实验的压电陶瓷晶片的振荡频率范围在25KHz～45KHz,产生的超声波的波长为几毫米。3．测量声速的实验原理本实验是利用频率f与波长和声速之间的关系，测量超声波在空气中的传播速度。声波的频率f、波长和波速之间的关系为（3）只要测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波的频率可通过测量声源（信号发生器）的振动频率得出，本实验的主要任务就是测量声波的波长，实验采用的方法是：驻波法（共振干涉法）、行波法（相

5、位比较法）以及时差法。（1）驻波法（共振干涉法）测量波长如图2所示，由超声波发射探头S1发出的平面超声波在空气中传播，到达接收换能器S2平面上反射，当两换能器端面之间的距离恰为半波长的整数倍时，入射波和反射波叠加形成驻波。图2实验装置与工作原理示意图驻波相邻两波节或两波腹间的距离为半波长（）。声波是纵波，在声驻波中，波腹（介质密度）处声压小，接收换能器上输出的电压幅度也小；波节（介质密度大）处声压大，接收换能器上输出的电压幅度也大。因此，可根据换能器上输出电压的大小来求波长。当改变换能器间距离，示波器上所显示的波形幅值将作周期性变化。每变化

6、一个周期，换能器S1-6-和S2间距离变化即为半波长。实验时可在游标尺上读出波形幅度最大时对应的一系列数值，用逐差法求出波长，超声波频率由信号发生器读出，则声速由式（3）求出。（2）行波法（相位比较法）测量波长当换能器S1发出的超声波通过介质到达接收换能器S2时，在任一时刻，发射波与接收波之间有一相位差j，设两换能器间距离为，则（4）当S1和S2之间的距离每改变一个波长，相位差就改变2π。即可通过相位变化来求波长。相位比较法的实验装置如图2所示。将示波器置于“X-Y”状态，然后将发射换能器S1和接收换能器S2的正弦电压信号分别接入示波器的X

7、、Y输入端，在荧光屏上便显示出这两个相互垂直的谐振动叠加形成的李萨如图形。由于两信号的频率相同，其图形为椭圆或斜线。图形变化与相位差的关系如图3所示。实验时可选择合成图形呈斜直线时作为测量起点，当S1和S2之间的距离每改变一个波长时，会重复出现同样斜率的直线，于是，读出一系列值，可求出波长，由式（3）算出声速。图3李萨如图形与两垂直简谐运动的相位差（3）时差法测量波速连续波经过脉冲调制后由发射换能器至被测介质中，经时间t后，到达距离处的接收换能器。波速由公式得出。利用时间窗口显示出S1到S2间距离的时间t，从数显尺上读出S1及S2间的相对距

8、离，即可计算得出波速。-6-四．实验仪器1．SV-DH-7A声速测试仪2．SVX-7声速测试仪信号源3．MDS-620示波器-6-4．仪器整体图五．实验内容及步骤1．连接仪器如图