超声波测声速汇总

超声波测声速
声波是一种在弹性介质中传播的机械波,它是纵波,其振动方向与传播方向一致.声速是描述声波在介质中传播特性的一个基本物理量,它与介质的特性及状态因素有关,因而通过介质中声速的测定,可以了解介质的特性或状态变化。

例如，测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、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。

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.超声波的传播速度就是声波的速度.由于超声波具有波长短、易发射、能定向传播等优点,在超声波段进行声速测量是比较方便的. 本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度。

[实验目的]
1.学习相位比较法测定声速的原理及方法.加深对振动合成等理论知识的理解
2.了解压电换能器的工作原理和功能,进一步熟悉信号发生器、示波器的使用
3.练习使用逐差法处理数据
[实验仪器]
声速测定组合仪,信号发生器,示波器
声速测量仪：
由发射器、接收器、游标卡尺组成。

当一交变正弦电压信号加在发射器上时，由于压电晶片的逆压电效应，产生机械振动发生超声波。

可移动的接收器，将接收的声振动转化为电振动信号输至示波器。

接收器的位置由游标卡尺读数确定。

图1. 声速测量仪
使用方法：
左击或右击换能器，可以改变换能器面与水平方向的夹角。

按下右边换能器的拖动，可以改变两个换能器之间的的距离。

点击或按下窗体中上部的微调按钮，可以缓慢改变两个换能器之间的距离。

信号发生器：
图2. 信号发生器
它是一种多功能信号发生器，可以输出正弦波、方波、三角波三种波形的交变信号，信号频率范围为10Hz—2000kHz，既可分档调节，又可连续调节。

信号幅度可连续调节。

1．频率显示窗口：显示输出信号的频率或外测频信号的频率，用五位数字显示信号的频率，且频率连续可调（输出信号时）。

2．幅度显示窗口：显示函数输出信号的幅度，由三位数字显示信号的幅度。

3．输出波形，对称性调节旋钮（SYM）：调节此旋钮可改变输出信号的对称性。

当电位器处在关闭或者中心位置时，则输出对称信号。

输出波形对称调节器可改变输出脉冲信号空度比，与此类似，输出波形为三角或正弦时可使三角波调变为锯齿波, 正弦波调变为正与负半周分别为不同角频率的正弦波形，且可移相180︒。

（仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。

）
4．速率调节旋钮（WIDTH）：调节此电位器可以改变内扫描的时间长短。

在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过低通开关进入测量系统。

5．扫描宽度调节旋钮（RATE）：调节此电位器可调节扫频输出的扫频范围。

在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过衰减“20dB”进入测量系统。

6．外部输入插座（INPUT）：当“扫描/计数键”（13）功能选择在外扫描外计数状态时，外扫描控制信号或外测频信号由此输入。

7． TTL信号输出端（TTL OUT）：输出标准的TTL幅度的脉冲信号，输出阻抗为600Ω。

8．函数信号输出端：输出多种波形受控的函数信号，输出幅度20Vp–p（1MΩ负载）,10Vp–p (50Ω负载)。

9．函数信号输出幅度调节旋钮（AMPL）：调节范围20dB。

（仿真实验中使用方法：右键按下进行顺时针连续旋转，信号幅度增大，左键按下进行逆时针连续旋转，信号幅度减小。

）
10．函数信号输出信号直流电平预置调节旋钮（OFFSET）：调节范围：–5V～+5V（50 负载），当电位器处在中心位置时，则为0电平，由信号电平设定器选定输出信号所携带的直流电平。

11．函数信号输出幅度衰减开关（ATT）：“20dB”“40dB”键均不按下，输出信号不经衰减，直接输出到插座口。

“20dB”“40dB”键分别按下，则可选择20dB或40dB 衰减。

12．函数输出波形选择按钮：可选择正弦波、三角波、脉冲波输出。

（仿真实验中使用方法：左键打击进行波形间进行切换）
13．“扫描/计数”按钮：可选择多种扫描方式和外测频方式。

14．频率范围细调旋钮：调节此旋钮可改变1个频程内的频率范围。

（仿真实验中使用方法：右键按下进行顺时针连续旋转，信号幅度增大，左键按下进行逆时针连续旋转，信号幅度减小。

）
15．频率范围选择按钮：调节此旋钮可改变输出频率的1个频程，共有7 个频程。

（）仿真实验中使用方法：左键打击进行波形间进行切换
16．整机电源开关：此按键揿下时，机内电源接通，整机工作。

此键释放为关掉整机电源。

（仿真实验中使用方法：左键打击进行打开和关闭切换。

）
示波器：
图3. 示波器
有关知识参看示波器的原理和使用。

[实验原理]
声波的传播速度v 与声波频率f 及波长λ的关系为
v f λ=⋅ （1）
测出声波的频率和波长，就可以求出声速，其中超声波的频率可从信号发生器中的频率显示读出，超声波的波长可用相位法测出。

产生和接收超声波是用超声波传感器，其中的压电陶瓷晶片是传感器的核心，声速测量仪的发射器和接收器都是超声波传感器。

当一交变正弦电压信号加在发射器上时，由于压电晶片的逆压电效应，产生机械振动发生超声波。

可移动的压电超声波接收器，由于压电晶片的正压电效应，将接收的声振动转化为电振动信号。

本实验中压电陶瓷晶片的固有频率为40kHz,当正弦电压信号的频率调节到40kHz 时，传感器发生共振，输出的超声波能量最大。

在40kHz 附近微调外加电信号的频率，当接收传感器输出的电信号幅度达到最大时，可以判断电信号与发射传感器已达到共振。

沿着的波传播方向上的任何两个相位差为2π的整数倍的位置之间的距离等于波长的整数倍，即(l n n λ=为正整数）。

沿传播方向移动接收器，总可以找到一个位置使得接收器的信号与发射器的激励信号同相，继续移动接收器，接收的信号再一次和发射器的激励信号同相时，移过的这段距离必然等于超声波的波长。

为了判断相位差，可根据两个相互垂直的简谐振动的合成所得到的李萨如图形来测定。

将正弦电压信号加在发射器上的同时接入示波器的X 输入端，将接收器接收到的电振动信号接到示波器的Y 输入端，
根据振动和波的理论,设发射器S1处的声振动方程为
11cos()x A t ωϕ=+ (2)
若声波在空气中的波长为λ,则声波沿波线传到接收器S2处的声振动方程为
))(21cos()cos(12222λπϕωϕωx x t A t A x --
+=+= (3)
S1处和S2处的声振动的相位差为 λ-π-=ϕ-ϕ=ϕ∆)
(21212x x (4)
负号表示S2处的相位比S1处落后,其值决定于发射器与接收器之间的距离)(12x x -。

示波器Y 轴和X 轴的输入信号是两个频率相同而有一定相位差的正弦波，而荧光屏上光点的运动则是频率相同、振动方向相互垂直的两个简谐振动的合运动，合运动的轨迹方程为
22212212212122cos()sin ()x y xy A A A A ϕϕϕϕ+--=- （5）
该方程是椭圆方程，椭圆的图形由相位差决定。

图4给出了相位差从0到2π之间几个特殊值的图形。

假如初始时图形如(a)图；接收器移动距离为半波长2λ
时，图形变化为（c ），接收器移动距离为一个波长λ时，图形变化为（e ），所以通过对李萨如图形的观测，就能确定声波的波长。

在两个信号同相或反相时
声速的理论值由下式决定
t v = （6）
式中，γ为空气定压比热容与定容比热容之比，R 为摩尔气体常数，μ为气体的摩尔质量，T 为绝对温度。

在0ºC 时，声速
0331.45/v m s =，显然在t ºC 时声速的理论计算公式
应为 t v v v ==（7）
[仪器说明]
超声波的发射和接收都需要换能器,换能器的作用是将其它形式的能量转换成超声波的能量（发射换能器）或将超声波的能量转换为其它可以检测的能量（接收换能器）.最常用的是压电换能器.压电晶体或压电陶瓷等压电材料受到应力的作用时会在材料内产生电场,称为压电效应.压电换能器接收超声波信号,使之转换为电信号,从而将机械能转换为电能,就是利用压电效应的原理.当超声波频率与系统固有频率一致时,电信号最强.压电材料在交变电场的作用下会周期性的压缩和伸长,当外加电场的频率和压电体固有频率相同时振幅最大.发射换能器利用逆压电效应就可以将电能转换成超声振动能,在周围媒质中激发超声波.压电换能器在声、电转换过程中信号频率保持不变.
[实验内容]
1.连接及调试声速测量系统
按图5连接信号源、声速测试仪及示波器,接通仪器电源,使仪器预热15分钟左右.观
察1S 和2S 是否平行.
2.谐振频率的调节
根据测量要求初步调节好示波器.
将信号源输出的正弦信号频率调节到
换能器的谐振频率,以使换能器发射出
较强的超声波,能较好地进行声能与电
能的相互转换,已得到较好的实验效果,方法如下：
（1）将测试方式设置到连续方式,按下CH1开关,调解示波器,能清楚地观察到同步的正弦信号.
（2）调解信号源上的“发射强度”旋钮,使其输出电压在20Vp-p 左右,将1S 和2S 靠近,按下CH2开关 ,调整信号频率,观察接收波的电压幅度变化,在某一频率点处（34.5 kHz ～39.5kHz 之间,因不同的换能器或介质而异）电压幅度最大, 改变1S 、2S 的距离,使示波器的正弦波振幅最大,再次调节正弦信号频率,直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值,此频率即是压电换能器1S 、2S 相匹配的频率点, 记录此频率f .
3.相位比较法测声速
（1）调节2S 靠近1S 但不能接触.由近而远改变2S 的位置,观察示波器,记录相继出现10个振幅极大值所对应的各接收面的位置i x (i =0,1,2,……,10).
（2）将示波器打到X —Y 显示方式,适当调节示波器,出现李萨如图形.
（3）移动2S 并观察示波器上李萨如图形的变化,选择图形为某一方向的斜线时的位置为测量的起点,连续记录12组图形为相同方向斜线时2S 的位置
i x '(i =0,1,2,……,9).
（4）用逐差法处理数据,求出波长λ. [数据记录与处理]
1.根据下表记录所有的实验数据并用逐差法计算波长λ.
表1
信号发生器 图5 声速测量仪示意图
2.计算出测量的声速v ,并写出测量结果.
[注意事项]
1.示波器电源打开后可连续使用,不要时开时关,以免对仪器造成损害,暂时不用时可将辉度调暗.辉度过大时对荧光屏寿命有影响.
2.1S 、2S 两端面应平行;信号源电源打开后1S 与2S 不准接触.
3.注意换能器系统的谐振频率的调节,先粗调后细调,调好后不可再改变,否则就必须重新测量数据.
4.测量波长时,注意在振幅最大或直线状态进行测读;读数时应预先估测波形最大或重合的位置,精细调节,不可来回旋转鼓轮,避免回程误差.
5.由于声波在传播过程中有能量损失,因而随着接收端面2S 逐渐远离发射端面1S 时,驻波的振幅也是逐渐衰减的,但并不改变波腹、波节的位置,因而,不影响对波长的测量.只是注意每次移动接收器时,一定要移到各个幅度为相对最大处,停止移动后再读数.
[思考题]
1.为什么发射换能器的发射面与接收换能器的接收面要保持互相平行？
2.本实验为什么要在谐振频率条件下进行声速测量？如何调节和判断系统是否处于谐振状态？
3.在相位比较法中,调节哪些旋钮可改变直线的斜率？调解哪些旋钮可改变李萨如图形的形状？
4.采用逐差法处理数据的优点是什么？。