SV5空气、液体及固体介质中的声速测量

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1、空气、液体及固体介质中的声速测量(SV5、SV6型声速测量组合仪使用说明)实验讲义杭州精科仪器有限公司空气、液体及固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、氯丁橡胶乳液的比重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

2、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。【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．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。3．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。【实验原理】在波动过程中波速V、波长λ和频率f之间存在着下列关系：V=f•λ，实验中可通过测定声波的波长λ和频率f来求得声速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•t，只要测出L和t就可测出声波传播的速度V，这就是时差法测量声速的原理。1．共振干涉法（驻波

3、法）测量声速的原理：当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。对于波束1：F=A•cos(ωt−2π•X/λ)、波束2：F=A•cos(ωt+2π•X/λ)，当它们相交会时，12叠加后的波形成波束3：F=2A•cos(2π•X/λ)•cosωt，这里ω为声波的角频率，t为3经过的时间，X为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按cos()2π•X/λ变化。如图1所示。压电陶瓷换能器S作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周1的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器S则作为声波的接收器，正压2电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器

4、，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。声源S发出的声波，经介质传播到S，在接收声波信号的同121时反射部分声波信号，如果接收面（S）与发射面（S）严格平行，入射波即在接收面21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与S之间的距离），2212你从示波器显示上会发现当S在某些位置时振幅有最小值或最大值。根据波的干涉理论可2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λ/2。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时，缓慢

5、的改变S和S之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到12最大，二相邻的振幅最大之间S移动过的距离亦为λ/2。超声换能器S至S之间的距离221的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率又可由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2用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。2．相位法测量原理：声源S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1变化的。但它和声源的振动相位差ΔΦ不随时间变化。设声源方程为：F=F•cosωt101X距声源X处S接收到的振动为：F=F

6、•cosω(t−)2202YX两处振动的相位差：ΔΦ=ωY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•λ即ΔΦ=2nπ12时，合振动为一斜率为正的直线，当X=(2n+1)λ/2，即ΔΦ=(2n+1)π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）。23．时差法测量原理：以上二种方法测声速，都是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波间的相位差，原理是正确，但存在读数误差，较精确测量声速是用时声波差法，时差法在工程中得到了广泛的应用。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t时间后，到达L距离处的接收换能器，所以可以用以下公式

7、求出声波在介质中传播的速度。速度V=L/t。【实验仪器】实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的SV5(或SV6)型声速测量组合仪及SV5型声速测定专用信号源各一台。其外形结构见图4。组合仪主要由储液槽、传动机构、数显标尺、两副压电换能器等组成。储液槽中的压电换能器供测量液体声速用，另一副换能器供测量空气及固体声速用。作为发射超声波用的换能器S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12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