超声波声速测量简述PPT课件

谐振频率：f 0 ______ _______kHz 室温： t ______ ________0C
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2、声速测量的方法
本实验是对超声波波速的测量。测量声速最简单、
最有效的方法之一是利用声速v 、振动频率 f 和波长
λ 之间的基本关系，即
v f
本实验在换能器谐振状态下进行声速的测量，振动频率f
逆压电效应：当在压电材料的极化方向施加与极化方向一致的外加电 压U，这些材料会产生伸缩形变，且与U有线性关系：S=dU；若施加交变 电场，则介质因形变而振动。
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四、实验内容
1、压电陶瓷换能器谐振频率的调节
参数测量：
根据示波器显示的波形幅度确定 换能器（发射端）激励信号频率。 改变信号发生器的频率时，看到…
（1）记录半波长数据
李萨如图形
接受头位置
Ｌ１ Ｌ２ Ｌ３ Ｌ４ Ｌ４ Ｌ５ Ｌ６ Ｌ７ Ｌ９ Ｌ９ Ｌ10 Ｌ11 Ｌ12
即为所用换能器的谐振频率 f0
测量波长λ有两种方法： １）．相位比较法 ２）．共振干涉法
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1）．相位比较法
波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。 沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同,即同相 (相位差为0或者说其相位差为2π的整数倍)，两点间
的距离 l 应等于波长λ的整数倍，即
l n (n为正整数)
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压电式传感器工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。
正压电效应：当压电材料受
到与极化方向一致的应力T的作
用而变形时，其内部就产生极 化现象，在它的两个表面上就 带有符号相反的电荷，在极化
方向上产生一定的电场强度E，
且具有线性关系：E=σT；当力 方向改变时，电荷的极性也随 着改变；当外力去掉后，它又 重新恢复不带电时的状态。
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1、声波的特点
频率在20～20000Hz的声振动在弹性媒质中所激起 的纵波称声波，声波是一种机械波。频率超过20000Hz 的声波称为超声波。次声波指的是频率在0.0001赫兹至 20赫兹之间的波。
声波的频率、波长、速度、相位等是其重要特性。
在标准状态下，0°C时，声速为 vo＝331.45m／s，
显然在 t°C时，干燥空气中声速的理论值应为
vt 331.45
273.15 t 273.15
由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是 不同的 。
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声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取 决于空气本身的性质（如同弦上横波的传播速度与弦的 振动频率无关，取决与弦线的张力与线密度），因此， 根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。
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3 24
5 3 42
7 2 4
两个同斜率直线所对应的换能器间距为一个波长λ 。
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两路电信号的合成—李萨如图形
当两路信号同时输入示波器时，荧光屏上将显示 两个同频率相互垂直的简谐振动的叠加图—李萨如图
两路信号相位差为π/4 。 两路信号相位差为0或2π整数倍 。
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相位比较法数据处理
v RT
γ-绝热系数，R-摩尔气体常数，
μ-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度
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2、声速测量的目的
声学测量和分析是人们认识声学问题本质的一种 手段。通过必要的测量和分析可以对声学有定量概念， 从而了解其规律性。
声速与传声媒质的特性及状态有关，例如液体和 固体的弹性模量与密度的比值一般比气体大，其中的 声速也较大。通过对超声波声速的测量，可以了解被 测媒质的特性及状态的变化，在工业生产上具有一定 的实用意义，如测量气体或溶液的浓度、以及输油管 中不同测距、显示等方面也有着重要的意义。
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三、实验原理
压电陶瓷换能器工作原理
正负电极片
后盖反射板 压电陶瓷片
辐射头
本实验所使用的压电陶 瓷换能器，一个是用来产生 机械振动并在空气中激发出 超声波；另一个用来接收振 动，同时在电输出端产生相 应的电信号。压电系统有一 谐振频率，系统工作在谐振 频率时，产生机械谐振，此 时得到的电信号最强。
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3、声速测量的发展
二十世纪以来，声学测量技术发展很快．目前声学 仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动 态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响应等。
过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表， 测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现 了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了测量时读数的 准确度。由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成 电路的发展，人们已能用由微处理机控制的自动测量代替 逐点测量，使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可 以用微计算机实时运算。
声速的测量
制作：封玲
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目录
一、声波研究的应用 二、实验目的 三、实验原理 四、实验内容
1、谐振频率的测量 2、声速测量的方法
１）共振干涉法 ２）相位比较法
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五、实验仪器介绍
1. 声速测量仪（压电陶瓷换能器） 2. 示波器 3. 信号发生器
六、思考题
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一、声波研究的应用
1、声波的特点 2、声速测量的目的 3、声速测量的发展
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以微处理机为中心的测量仪器，不但实现了小 型化、多功能，而且由于采用了快速博里叶换算法 从而实现了实时分析。同时也出现了一些新的声学 测量和分析方法，例如实时频谱分析，声强测量， 声源鉴别，瞬态信号分析，相关分析等。
今后声学测量的任务是采用新的测量技术，提 出新的测量力法，使用自动化数字式仪器，以提高 测量的淮确度和速度。
回顾历史，可以看到，在发展经典声学的过 程中，许多研究工作是直接用人耳来听声音的。直 到本世纪，发展了无线电电子学，才使声波的测量 采用了电声换能器和电子测量仪器。
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二、实验目的
1. 理解压电陶瓷换能器的工作原理； 2. 掌握使用共振干涉法和相位比较法测量声 波波速； 3.学习使用示波器进行信号接受和相位比较； 4.了解声波研究的应用。
利用这个公式可测量波长。
注：声波是纵波，图以横波示例，为清楚说明物理量的关系。 15
相位比较法接线图
位相比较法测声速装置示意图
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2019/9/18
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相位比较法信号输出
示波器CH1和CH2分别接换能器发射端和接收端，示波器的 “扫描信号周期”选择“X-Y”档，当改变换能器之间的距离时……
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