超声波测量液体浓度设计实验报告

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1、设计性物理实验报告实验题目：超声波测量液体浓度学生姓名：谢勇平学院：交通运输学院学号：11301024首次实验时间：2012.11.27指导老师：滕永平2012年12月11日-14-超声波测量液体浓度——运输1108谢勇平11301024一、实验任务：溶液中声波的传播速度与溶剂的浓度有密切的关系，试设计一种超声波声速的测量方法，定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后能够测量出未知溶液的浓度，精度不低于5%。二、实验要求：1、参阅相关资料，了解超声波换能器的种类，特别是压电式超声波换能器的工作原理。2、比较脉冲反射法测量声速和连续波法测量声速

2、的特点。3、设计连续波测量液体声速的实验方案。4、制作氯化钠溶液浓度与声速的变化曲线。三、实验方案：1、物理模型的建立及比较和选择：超声波在不同浓度液体中的传播速度不同，在不同的液体浓度下测量出超声波的传播速度就可以定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后就可以通过测量超声波在某位置浓度液体中的传播速度计算出液体浓度。故本实验的关键就是测量超声波的传播速度。1）如果声波在时间内传播的距离为，则声速为。2）由于声波在时间（周期）内传播的距离为（波长），则3）横波波速：ν=声波传播距离s用的时间t不易测量，介质形变的恢复力T和液体密度ρ也不易测量

3、，故本实验采用模型二，即。2、实验方法的比较和选择：由知，只要测出频率和波长，便可以求出声速-14-。本实验使用交流电信号控制发生器，故声波频率f即电信号的频率，它可用频率计测量或信号发生器直接显示，而波长λ的测量常用的是相位比较法和驻波法（共振干涉法）。方法一：驻波法（共振干涉法）声源产生的一定频率的平面声波，经过空气介质的传播，到达接收器。声波在发射面和接受面之间被多次反射，故声场是往返声波多次叠加的结果，入射波和反射波相干涉而形成驻波。在发射面和接受面之间某点的合振动方程为最大振幅（2A）处被称为驻波的“波腹点”，最小振幅（0A）处被称为

4、“波节点”。波腹点位置：,即，波节点位置：,即，可知，相邻两个波腹点（或波节点）的距离为，当发射面和接受面之间的距离正好是半波长的整数倍时，即形成稳定的驻波，系统处于共振状态。共振时，驻波的幅度达到极大，同时，接受器表面的振动位移应为零，即为波节点，但由于声波是纵波，所以声压达到极大值。理论计算表明，若改变发射器和接收器之间的距离，在一系列特定的距离上，介质将出现稳定的驻波共振现象。若保持声源频率不变，移动发射源，依次测出接受信号极大的位置，则可以求出声波的波长，进一步计算出声速。-14-方法二：相位比较法：由声波的波源（简称声源）发出的具有固

5、定频率的声波在空间形成一个声场，声场中任一点的振动相位与声源的振动相位之差为：在示波器上可观测到发射波与接受波信号的垂直振动合成的李萨如图形。若发射波合接受波的信号为：则该利萨如图形，即合振动方程为：当时，示波器上合振动轨迹为处于第一、第三象限的直线段；当时，示波器上合振动轨迹为一正椭圆；当时，合振动轨迹为处于第二、第四象限的直线段。三种情况下的利萨如图形分别如图1所示。一般情况下为一斜椭圆。随着相位差从0变到时，利萨如图形会依次按如下变化：一、三象限直线段斜椭圆正椭圆斜椭圆二、四象限直线段。若在距离声源处的某点振动与声源的振动反相，则为的奇数

6、倍：若在距离声源处的某点振动与声源的振动同相，则为的偶数倍：相邻的同相点与反相点之间的相位差为：-14-相邻的同相点与反相点之间的距离为：将接收器由声源处开始慢慢移开，随着距离为，可探测到一系列与声源反相或同相的点，由此可求波长。(a)(b)(c)(d)图1的利萨如图形的测定可以用示波器观察利萨如图形的方法进行。将发射器和接收器的信号，分别输入示波器的轴和轴，则荧光屏上亮点的运动是两个相互垂直的谐振动的合成，当方向的振动频率与方向的振动频率比即为整数时，合成运动的轨迹是一个稳定的封闭图形，称为利萨如图形。利萨如图形与振动频率之间的关系如图所示。

7、由图1可知，随着相位差的改变将看到不同的椭圆，而在各个同相点和反相点看到的则是直线。3、仪器的选择与配套：1）误差公式推导：-14-2）实验仪器：⑴信号发生器：（量程：100KHz~2MHz仪器误差：Hz）⑵示波器⑶声速测量仪（发射换能器、接收换能器、盛液体的容器）附：超声波换能器工作原理：压电式换能器工作原理：用做超声波换能器的压电陶瓷被加工成平面状，并在正反两面分别镀上银层作为电极，称为压电晶片。当给压电晶片两级施加一个电压短脉冲时，由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡，振荡频率与晶片的声速和厚度有关，适当选择晶片的厚度可以得到

8、超声频率范围的弹性波，即超声波。在晶片振荡过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，通常称为脉冲波。超声波被同一压电换能器接收，由于正压电效应，振荡的