超声声速的测定

九、思 考 题
1. 形成驻波的条件是什么？两压电换能器的 端面为什么要平行？ 2. 声速测量中共振干涉法、相位法、时差法 有何异同？ 3. 为什么要在谐振频率条件下进行测量？如 何调节和判断测量系统是否处于谐振状态？ 4. 相位比较法测量声速时，选择什么样的李 萨如图形进行测量？为什么？
谢 谢
1、 共振干涉法（驻波法）
s1和s2为压电陶瓷超声换能器，s1作为超声源（发射头）， 信号源发出的正弦电压信号接到换能器s1后，即能发出一 平面声波。s2作为超声波的接收头，接收的声压转换成电 信号后输入示波器观察，s2在接收超声波的同时还反射一 部分超声波。这样，由s1发出的超声波和由s2反射的超声 波在s1、s2之间的区域干涉而形成驻波。改变s1、s2之间 的距离，在一系列特定的位置上，接收面s2上的声压达到 极大值，移动接收器，会发现接收信号振幅从大到小出现 周期性变化，测出接收信号极大时，接收器的位置 L1,L2L3,---每两相邻点之间距离就是
三、声波的基本知识
1、横波与纵波；超声波； 声波是一种机械波。频率超过 20KHz 的声 波称为超声波。声波的频率、波长、速度、相 位等是声波的重要特性。 2、理想气体中的声速值
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
三、声波的基本知识
• 由此可见，气体中的声速 v 和温度 T 有关， 还与比热比γ 及摩尔质量μ 有关，后两个因素 与气体成分有关。
四、实 验 装 置
频率计
超声声速测定仪
发射换能器 接收换能器
Y
示波器
信号发生器 S1 S2
共振干涉法实验装置
四、实 验 装 置
超声声速测定仪
发射换能器 接收换能器
Y
X
信号发生器 S1 S2
示波器
相位比较法实验装置
（相位比较法只需将信号发生器输出的信号加在示波器的X端）
显示屏
一通道 增益调节
时基扫描
Li Li 5 Li
L1 L6
L2 L7
L3 L8
L4 L9
L5 L10
六、数据记录及处理
1 5 L Li 5 i 1 L 5
U B ,
仪 3
U U A, 2 U B , 2 v测 = f Uv U 2 U f 2 ur ( ) ( ) v f U v ur v测 v v 测 U v ur %

2
五、实 验 原 理
（二）、声速的测量原理
李萨茹图形变为直线
f
f y : f x 1:1, 李萨茹图形为椭圆，在同相点和反相点
同相点
反相点
同相点
结论：若记下李萨茹图形为相同直线时接收器所处 位置，则每两个相邻点之间的距离就是
1、 共振干涉法（驻波法）
位移波
S2
S1 声压波
结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为
超声声速仪
测声速
一、预 习 提 要
1、 压电换能器的工作原理
2、共振干涉法和相位比较法测声速的原理
3、示波器的调整与使用
4、逐差法处理数据的方法 5、设计待测量的数据记录表格
二、实验要求与目的
1、了解超声压电换能器的结构和工作原理； 2、 熟悉示波器和低频信号发生器的使用； 3、用共振干涉法和相位比较法测量空气中的 声速。 4、学会用逐差法处理数据，并对结果的不确 定度进行分析。
五、实 验 原 理
（二）、声速的测量原理
1.相位比较法 设：声波频率为f,空间任一接收点和发射点的相位差为 同相点： 反相点：
f
Leabharlann Baidu
1 2k
(k 0,1, 2,...)
2 (2k 1)
(k 0,1, 2...)
相邻同相点和反相点：
1 2 L
八、注意事项
5. 实验中S2的测量必须是连续进行的,决 不可进行跳跃式测量。 6. 信号源电源开关打开后，S1与S2发射面 和接收面要保持相互平行并S1与S2间距必 须大于3cm，否则会损坏压电换能器 。
八、注意事项
7、实验时要使函数信号发生器的输出频 率等于换能器的谐振频率，并且在实验 过程中保持不变。 8、由于声波在空气中衰减较大，随着接 收换能器与发射换能器之间距离的增大， 接收到的信号幅度会很快变小。实验中 必要时应调节示波器输入通道的灵敏度 调节旋钮。
二通道 增益调节
示 波 器
辉度 聚焦 开关 第一通道 第二通道
信号发生器
开关
波形选择
频率调节
频率范围选择
信号输出
声速测量仪
超声声速测定仪由两只相同的压电陶瓷换
能器组成，分别用于超声波的发射和接收。
五、实 验 原 理
（一）、超声声速测定仪的工作原理 1、超声波的发射原理（逆压电效应）；
首先在发射端加一个正弦信号，压电陶瓷会发生周期 性伸长缩短，这个振动被传递给变幅杆，当传到端面上时， 就在空气中激发出超声波。
2
六、实 验 内 容
1) 按实验装置图接线，使发射头和接收头的端面尽 量平行； 2) 共振频率，调整函数发生器的输出频率，使接收 头输出的电信号幅度最大； 3) 相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现 10个相同直线形时所对应的接收头的坐标。
七、数据记录与处理
单位：mm
Li s Li+5 s
0C 时，声速 0 331.45m / s • 在标准状态下， • 显然在 t C 时，干燥空气中声速的理论值应为
t t 331.45 (1 ) 273.15
由此可见，在极地和赤道，在冬天和夏天，声音的传播速度是不同的。
声波在生活和科技中的应用
1、地震预报（利用地震波中纵波与横波波速 的不同）； 2、医学应用：B超与彩超（利用人体不同结构 中声速的不同）； 3、无损检测（利用两种不同介质表面对声波 的反射）； 4、海洋应用（声呐）：鱼群探测，海底地貌， 军舰与潜艇导航；
5 4 当P=0.68, n 5时，t 1.14 U A,L t L U A, U A , L 5
L
2 ( L L ) i i 1
5
八、注意事项
1. 为保证性能稳定，应预热10分钟后再使用。 2. 调节仪器旋钮要轻缓，以免损坏。 3. 信号发射器的信号输出幅度不要过大，避 免仪器过热而损坏。 4.螺旋来回转动会产生螺距间隙偏差，测量 时应朝一个方向转动超声测量仪测微螺旋。
2 、超声波的接收原理（正压电效应）
接受端的压电陶瓷将接收到的声振动转化为电信号
3、压电陶瓷换能器的谐振频率f0
五、实 验 原 理
（二）、声速的测量原理
f
其中为波长，f为频率，可见只要测出和f, 便可求出 ,本试验采用交流电信号控制发声器, 故声信号的频率就是电信号的频率,而波长的测 量采用相位比较法和共振干涉法.