[终稿]“千里传音”实验演示

“千里传音”实验演示

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前言

早在 1880 年的时候，居里兄弟就发现了压电效应。一般认为,关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验。当时Galton哨在空气中产生的频率达30000Hz,这是人类首次有效产生的高频声波。到了 1917 年，科学家们成功研制了首个压电式超声波发射器。这些年来,随着超声波技术研究的不断深入,在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点,超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。

本实验通过用音频信号对超声波进行调制的原理进行“传音”：先将音乐信号用调制的方法加到超声波上，因人耳听不到超声波的声音，所以将此调制超声波从压电换能器上发出时，人耳不能察觉。但在另外一个地方用另一个超声换能器接收到这个信号后再经过电路的解调制，把原来的音乐信号再检出来，就可通过扬声器把音乐播放出来了。

超声信号的发射与接收

1.1超声波介绍

超声波简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。一般而言是指声音超过了20KHz 以上时称之为超声波。与光波不同,超声波是一种弹性机械波,它可以在气体、液体和固体中传播。我们知道,电磁波的传播速度为3x108m/S,而超声波在空气中的传播速度为340m/s,其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(如大气条件)传播速度相同,即在相当大的频率范围内声速不随频率变化,波动的传播方向与振动方向一致,是纵向振动的弹性机械波,它是借助于传播介质的分子运动而传播的,波动方程描述方法与电磁波是类似的:

)cos()(kx t x A A +=ω

x e A x A α-=0)(

式中,A(x)为振幅,A 0为常数,w 为圆频率,t 为时间,:为传播距离,k=2二/兄

为波数,A 为波长,a 为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系

为:

2af =α

式中,a 为介质常数,f 为振动频率。在空气里,。a=2x10- 13s 2/cm,当振动的声波频率f=40kHz(超声波)代入上式,可得a=3.2x10-4 s 2/cm,即1/a=31m:若f=3okHz,则1/a=56m 。它的物理意义是:在(1/a)长度上,平面声波的振幅衰减为原来的e 分之一,由此可以看出,频率越高,衰减得越厉害,传播的距离也越短。声波在空气媒质里传播,因空气分子运动摩擦等原因,能量被吸收损耗。

1.1.1 超声波传播的速度

由于超声波也是一种声波,超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。理论上,在13℃的海水里声音的传播速度为1500m/s。在盐度水平为3.5%。,深度为om,温度为0℃的环境下,声波的速度为1449.3 m/s。声音在25℃空气中传播速度的理论值为344 m/s,这个速度在O℃时降为334 m/s。声波传输距离首先和大气的吸收性有关,其次温度、湿度、大气压也是其中的因素,而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显。温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素。它和温度的关系可以用以下公式来表示:C=331.45+0.61T(米/秒)。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。

1.1.2超声波的传播特点

1超声波传播时方向性强,能量容易集中"

2超声波可以在各种不同媒质中传播,而且可以传播较远的距离"

3超声与媒质的相互作用适中,易于携带与传声媒质有关的状态信息(超声诊断或产生传声媒质效应)"

超声波是一种波动形式,既可以作为负载信息的载体或媒介,又是一种能量

转化形式,.

1.2压电换能器的结构与工作原理

1.2.1压电效应与逆压电效应

当某些电介质晶体受到外力作用而发生形变时,在它的某些表面上会出现异号极化电荷,这种没有电场的作用,只是由于应变或应力而在晶体内产生电极化的现象就称之为正压电效应或称压电效应"当应力不太大时,由压电效应产生的极化强度与应力成线性关系;当在压电晶体上施加一电场时,晶体不仅要产生极化,还要产生应变和应力,这种由电场产

生应变或应力的现象称为逆压电

效应"当施加的电场不是很强时,

应变与外电场呈线性关系"

简而言之,压电晶体在受外

力作用时可以产生电荷;而当给压电晶体外加一电场时,压电晶体又会发生相应的形变,这便是压电效应"压电效应是由居里兄弟(JaequeSandpierreCurie)首先在a石英晶体上发现的"压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的藕合,一种晶体的正压电效应和逆压电效应通常是同时存在且是可逆的.

相比较而言,压电体逆压电效应应用范围更为广泛,在机械领域中亦是如此这种超声振动则是由压电陶瓷通过其逆压电效应实现的"即在交变电场的作用下,压电陶瓷会随之产生交变的机械振动,从而使与之相固连的金属体也发生同频率下的振动,同样,在超声频域的电场作用下就会产生超声振动.

1.2.2压电材料与压电陶瓷

具有压电效应和逆压电效应的一类晶体被称作压电材料,或称压电体。从居

里兄弟发现石英晶体具有压电性

开始,压电材料的研究和开发就

迅速展开,各种新型的压电材料

不断地被研制出来并得以应用,

目前已知的压电材料多达几十种

之多"早期的石英!电气石等单晶

压电材料,其压电性能一般,因而

在应用方面受到很大的限

制;1947年,多晶体压电陶瓷材料

BaTio"出现;随后,具有良好压

电、介电及稳定性能的错钦酸铅

(PZT)新型压电材料的发现使得

压电陶瓷的应用范围进一步扩展

"。

压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体,属于无机非金属材料"由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺(如原料粉碎!混合!成型以及高温烧结等)相似,因而得名"压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料"

压电材料是一类重要的!国际竞争极为激烈的高技术新材料"自压电效应被发现后,压电材料和压电器件的研究和生产发展极为迅速,据统计,仅2000年全球压电陶瓷销售额约达30亿美元以上,且销售量以15%左右的速度逐年增长"。

压电材料作为机、电、声、光热敏感材料,在换能器!传感器、无损检测和