实验四十超声波波速测量new

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1、实验四十超声波波速测量4声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波（频率超过2×10Hz的声波）传播速度的测量在超声波测距、测量气体温度瞬间变化等方面具有重大意义。超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气（气体）、蔗糖（溶液）的浓度、氯丁橡胶乳液的密度以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。同时，通过液体中声速的测量，了解水下声纳技术应用的基本概念。一实验目的（1）用共振干涉法和相位比较法测量声速。（2）

2、了解压电陶瓷换能器的功能。（3）进一步熟悉示波器的使用。（4）通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。二实验原理由波动理论得知，声波的传播速度v与声波频率f和波长λ之间的关系为v=fλ。所以只要测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出，波长则可用共振法和相位比较法进行测量。时差法可通过测量某一定间隔距离声音传播的时间来测量声波的传播．．．．．．．．速度。1．压电陶瓷换能器本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换。它主要由压电陶瓷环片、轻金属铅（做成．．．．喇叭形状，增加辐射面积）和重

3、金属（如铁）组成。压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。在压电陶瓷片的两个底面加上正弦交变电压，它就会按正弦规律发生纵向伸缩，从而发出超声波。同样压电陶瓷可以在声压的作用下把声波信号转化为电信号。压电陶瓷换能器在声—电转化过程中信号频率保持不变。如图1所示，S1作为声波发射器，它把电信号转化为声波信号向空间发射。S2是信号接收器，它把接收到的声波信号转化为电信号供观察。其中S1是固定的，而S2可以左右移动。2．共振法测量波长λ由声源S1发出的声波（频Ｘ率为f），经介质（空气）传播到S2，S2在接收声波信号的同时低频信号发生器示波器反射部分声波信号。如果接收S1S

4、2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。反射面处是位移的图1共振法测量声速实验装置波节，声压的波腹。改变接收器与发射源之间的距离x，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x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，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Δx，即可得到该波的波长λ（λ=2Δx），并用v≈f⋅λ计算出声速。3．相位比较法测量波长λ声源S1

5、发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的，但它和声源振动的位相差Δφ不随时间变化。x设声源方程可写成y=ycosωt，距声源x处S2接收到的振动为y′=y′cosω(t－)，两处振00vx动的位相差Δφ=ω，若把两处振动分别输入到示波器x轴和y轴（如图2所示），那么当x＝nλ，即vλΔφ=2nπ时，合振动为一斜率为正的直线。当x=2(n+)1，即Δφ=2(n+)1π时，合振动为一斜率2为负的直线。当x为其它值时，合振动为椭圆。移动S2，当其合振动为直线的图形斜率正、负更替变化一次，S2移动的距离Δx=2(n+)1λ−nλ=λ，22则λ=

6、2Δx4．时差法测量原理以上两种方法测声速都低频信号发生器是用示波器观察波谷和波峰，或观察两个波间的相位X示波器差，原理是正确的，但读数Y位置不易确定。较精确测量声速是用声波时差法。时差法在工程中得到了广泛的应图2相位比较法测量声速实验装置用，它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过时间后，到达tL距离处的接收换能器，所以可以用以L下公式求出声波在介质中传播的速度见图3。速度v=t三实验仪器发射换能器波形SV5型声速测量组合仪及SV5型声速测定专用信号源，示波器，300mm游标卡尺一把。四实验内容t1．准备与声速测量系统的连接（1）示波器POWE

7、R开关置ON，调节亮度（INTENSITY）和聚焦(FOCUS)，使波形清晰。接收换能器波形（2）触发源（TRIG.图3时差法测量原理SOURCE）开关置INT，触发方式（TRIG.MODE）开关置AUTO，触发电平（TRIG.LEVEL）右旋至锁定（LOCK）状态。（3）声速测量时，专3用信号源、测试仪、示波SV5型专用信号源测试仪接线盒器之间的连接方法见图示波器发射接收发射9-4。S1S2波形波形CH1（X）CH（Y）22．谐振频率的调节接收（1）将测试方法设置到连续方式，按图9-4（a）所示连好线。按下CH1开（a）共振干涉法、相位