超声波测声速(DOC)

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）