超声波测量声速

实验原理 2 实验原理 声波是在弹性媒质中传播的一种机械波。当声波的振动频 率超过20kHz的时候称为超声波，它具有波长短、指向性好等 优点。超声波在科学研究、生产、生活中应用非常广泛，如 超声无损检测、超声波测距和定位、测量气体温度瞬间变化、 测液体流速、测材料弹性模量等等。 超声波在医学方面应用非常广泛，可以对物品进行杀菌消毒。
产生超声波
接受超声波
实验原理 2 实验原理 测声波频率 (可通过频率计测得)
测波长用公式
υ =λ f
因此本实验的主要任务是测超声波的波长。
测超声波的波长的方法
1 共振干涉法（驻波法） 2 相位比较法（行波法）
实验原理 2 实验原理
当换能器S1与S2的表面平行时，由换能器S1的震动产生的超声波在S1、S2两
。
（2）用逐差法计算共振干涉法测出的超声波波长：
2 共＝ L10 L5 L9 L4 L6 L1 25
V共＝共 f
（4）将V共 与 V认 比较求相对误差：


（3）计算共振干涉法测出的超声波在空气中的传播速度：
E共
V共 -V认 V认
100%
（5）用逐差法计算计算位相比较法测出的超声波波长：
压电换能器是指利用压电 材料的正逆压电效应制成的换 能器，换能器顾名思义就是指 可以进行能量转换的器件。通 常我们所说的为电声换能器， 能够发射声波的换能器叫发射 器；用来接收声波的换能器叫 接收器。
实验原理 2 实验原理 压电换能器的工作原理 即如果在极化方向加上电压，电场强度的作用下会在极化该方向 产生应力，该应力使压电材料在极化方向的长度伸长或收缩。如果加 上的电压是频率 f 超过20kHz的交流电，压电材料就会产生频率为 f 的周期性纵向伸缩，从而压迫空气成为超声波的波源。同样，也可以 使声压的变化转变成电压的变化，用来接收信号。
3．位相比较法测波长 其它连线不变，再将信号源的输出端（50Ω ）与示波器CH1相连，将 示波器置于X－Y工作方式，固定辐射换能器坐标，连续移动接收换能器， 记录相继出现10个相同方向的斜线李萨如图形时（统一要求用1、3象限 的直线）接收换能器所对应的坐标 。
4．测量实验室室温T（用实验室门口的酒精温度计读数，禁止手摸酒 精泡附近，禁止鼻孔热气影响读数精度）
1、测量超声波在空气中的传播速度
共振频率：
次数 1
KHz， 室温：
2 3 4 5
℃
6 7 8 9 10
共振干涉法 Li（mm）
位相比较法 li（mm）
2．数据处理（以下内容预习时不写，计算时必须有完整的代入和过程） （1）计算在该室温下，超声波在空气中传播速度的公认值：
V认 331.30 T T0
实验步骤
注意事项
1、示波器不显示驻波： 调节信号发生器的输出频率，使频率处于换能器的共振频率上。 2、驻波图形太大或太小：
调节信号发生器的输出振幅、示波器的增益，以获得合适的图形。
数据处理
1.逐差法计算波长 2.计算超声波传播速度 3.计算超声波在空气中传播速度的公认值 4.求出两种测量方法得到的v的相对误差E 5.计算不确定度
表面之间形成驻波，在接收换能器S2处是振幅的波节位置（理论推导）、声压的
波腹位置，即该处位移为零，声压最大。当S1、S2的间距满足一定条件时，出现 稳定的驻波现象，此时接收器S2表面的声压振幅最大，改变S1、S2的间距，可以 测量到一系列的声压最大的位置，而这些相邻位置的间距就是超声波半波长的大 小。
超声波的声速测定实验
大学物理实验中心
讲授提纲 讲授内容 1 实验目的 2 实验原理 3 实验内容 4 实验步骤
5 思考题
实验目的 1 实验目的 （1）了解超声换能器的工作原理和功能； （2）学习不同方法测定声速的原理和技术；
（3）熟悉测量仪和示波器的调节使用；
（4）测定声波在空气及水等介质中的传播速量
共振干涉法 （驻波法）
实验原理 2 实验原理

利用示波器来观测经换能器S2产生的电信号波形，以确定振幅的 最大位置。
实验原理 2 实验原理 相位比较(行波)法测声速 当接收器和发射器 的距离变化等于一个波 长时，则发射与接收信 号之间的相位差也正好 变化一个周期(即 Δ Φ =2π )，相同的图形 就会出现。所以，当准 确观测相位差变化一个 周期时接收器移动的距 离，即可得出其对应声 波的波长λ ，再根据声 波的频率，即可求出声 波的传播速度 。
（4）调节低频信号发生器的频率，使示波器接收到一定强度的信号，继 续改变驱动信号的频率，使示波器观察到的电信号幅值最大，此时的频率 即为共振频率。由频率计读出并记下此频率 。其后的测量都要在此频率 下进行，不得再行改变。
实验步骤 4 实验步骤 2．共振干涉法测波长 在上述步骤完成之后，固定辐射换能器的位置，连续移动接收换能器， 记录示波器上波形相继出现10个极大值所对应的接收换能器的坐标 。
3
如何用本实验中的方法测量声速在媒质中（如液体和固
体）的传播速度?
附加内容
时差法测量声速
若以脉冲调制正弦信号输入到发射器，使其发出脉冲声波，经时 间t后到达距离L处的接收器。接收器接收到脉冲信号后，能量逐渐积 累，振幅逐渐加大，脉冲信号过后，接收器作衰减振荡。t可由测量 仪自动测量。测出L后，即可由V=L／t计算声速。亦可由示波器定性 观察。
实验原理 2 实验原理
超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进 入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种 方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零 件底面时就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些 脉冲波形来判断缺陷位置和大小。
实验原理 2 实验原理 产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨 等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利 用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换 能器等。 压电换能器
1 位＝ l10 l 5 l 9 l 4 l 6 l1 25


（6）计算用位相比较法所测出的超声波在空气中的传播速度：
V位 位 f
（7）将V位 与V认比较求相对误差：
V位 -V认 E位 100% V认
思考题
思考题
1 2 逐差法处理数据的优点是什么？ 为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测量？
实验内容 3 实验内容
1．测量谐振频率 2．用共振干涉法测波长
3．用相位比较法测波长
实验步骤 4 实验步骤 1．寻找与测量共振频率 （1）将声速测试仪辐射换能器电缆接到功率信号源输出端口，声速测试 仪接收换能器电缆接到示波器CH2端口，调妥示波器 （2）将接收换能器移近辐射换能器，使二换能器表面彼此接近（距离调 到4～5mm）并平行，且表面法线尽可能与接收换能器的移动轴线一致，其 表面法线尽可能与接收换能器的移动轴线一致（大部分仪器不必调）。 （3）将信号源功率开关打开，输出电平调到10V，频率在30～40kHz。