空气、液体介质的声速测量

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1、空气、液体介质的声速测量声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz〜20kHz的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在20kHz以上的声波称为超声波。超声波在媒质屮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，测最氯气（气体）、蔗糖（溶液）的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输汕管屮不同汕品的分界面，等等，这些问题都可以通过测定这些物质屮的声速來解决。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

2、基本概念。【实验目的】1.了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。2.学习川共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。【实验原理】在波动过程中波速V、波长入和频率f之间存在着下列关系：V=f•入，实验中可通过测定声波的波长九和频率f來求得声速V。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。声波传播的距离L与传播的时间t存在下列关系：L=V

3、象，出现驻波。对于波束1:Fj=A*cos（cot-27i*X/X）波束2：F2=A*cos（cot+2K>X/X）,当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：F3=2A*cos（27fX/X）*cos（ot,这里co为声波的角频率，t为经过的吋间，X为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按cos（2jfX/X）变化。如图1所示。压电陶瓷换能器S］作为声波发射器，它山信号源供给频率为数千周的交流电信号，山逆压电效应发出一平而超声波；而换能器S?则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波

4、器上可看到一•组由声压倍号产纶的正弦波形。声源S发出的声波，经介质传播到S?,在接收声波信号的同时图1发射换能器与接收换能器之间的距离反射部分声波信号，如果接收而（S?）与发射而（SJ严格平行，入射波即在接收而上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S”处的振动情况。移动S?位置（即改变S

5、与S?之间的距离），你从示波器显示上会发现当S2在某些位置吋振幅有最小值或最大值。根据波的T涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为X

6、/2o为测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同吋,缓慢的改变和S?之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地山最大变到最小再变到最人，二相邻的振幅最人之间S?移动过的距离亦为九/2。超声换能器S?至S］之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率乂可山声波测试仪信号源频率显示窗口直接读出。在连续多次测量相隔半波长的S?的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。1.相位法测量原理:声源发出声波麻，在其周围形成声场，声场在介质屮任一点的振动相位是随时间而变化的。但

7、它和声源的振动相位羌△①不随时间变化。Yltotote=06=^/4e=^c/20=3兀/4图2接收信号与发射信号形成李萨如图设声源方程为：F］二弘•coscot距声源X处S?接收到的振动为：F2=I；）2*COS（D（t-—）两处振动的相位差：5X△①=0）——Y当把S］和S?的信号分别输入到示波器X轴和Y轴，那么当X=n•九即△①=2im时，合振动为一斜率为正的直线，当X=（2n+l）X/2,即4①=（2n+l）兀时，合振动为一斜率为负的直线，当X为其它值时，合成振动为椭圆（如图2）。【实验仪器】实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生

8、产的SV4型声速测定仪及SV5型声速测定专用信号源各一台。其外形结构见图4。SV4型声速测量组合仪适用于空气、液体介质声速测定使用；图4型声速测定仪实物照片组合仪主要由储液槽、传动机构、数显标尺、压电换能器等组成。压电换能器供测最气体和液体声速用。作为发射超声波用的换能器S

9、固定在储液槽的左边，另一只接收超声波用的接收换能器S?装在可移动滑块上。上下两只换能器的相对位移通过传动机构同步行进，并由数显表头显示位移的距离。S

10、发射换能器超声波的正弦电压信号由SV5声速测定专用信号源供给，换能器S?把接收到的超声波声压转换成电压信号，用示波

11、器观察：时羌法测量时则还要接到专用信号源进行时间测最，测得的时间值具有保持功能。【实验内容】一.声速测量系统的连接声速测量吋：专用信号源、SV4型测定仪、示波器Z间，连接方法见图5。二•谐振频率的调节根据测最要求初步调节