大学物理实验：超声声速测定

大学物理实验:超声声速测定
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:
超声声速测定
声波特性的测量，如频率、波长、声速、声压衰减、相位等，是声波检测技术中的重要内容。

特别是声速的测量,不仅可以了解媒质的特性而且还可以了解媒质的状态变化,在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的实用意义。

例如,声波测井、声波测量气体或液体的浓度和比重、声波测量输油管中不同油品的分界面等等。

“声速的测量”是一个综合性声学实验。

实验中采用压电陶瓷超声换能器通过驻波法（共振干涉法)和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度，这是一个非电量电测方法的应用。

通过这个实验可以重点学习如下内容:（1）实验方法：非电量的电测方法；测量声速的驻波法和相位比较法。

(２）测量方法:利用示波器测量电信号的极大值和观察李萨如图形测量相位差的方法。

（３)数据处理方法：求声波波长的逐差法。

(4)仪器调整使用方法:双踪示波器和函数信号发生器的正确调节和使用方法。

【实验目的】
１.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。

２.了解压电换能器的功能。

3.学习用逐差法处理数据。

【实验仪器】
SVX－５型声速测试仪信号源、SV－DH系列声速测试仪、双踪示波器等
【实验原理】
频率介于２0Hz~２0kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于2０kH ｚ~５00MHz 的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度,而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在2０KHz ～60k Ｈz 之间。

在此频率范围内,采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。

根据声波各参量之间的关系可知f ⋅=λυ，其中υ为波速， λ为波长,f 为频率。

图4-５-1共振法测量声速实验装置
在实验中，可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。

声波的频率f 可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法（行波法)和共振干涉法（驻波法）来测量。

图4-5-2 相位比较法测量声速实验装置
１.相位比较法
实验装置接线如图４-5-2所示，置示波器功能于X-Y 方式。

当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动方程为：
)(sin )cos(2122
122
12
22212ϕϕϕϕ-=--+A A xy A y A x 在发射波和接收波之间产生相位差:
λ
π
ϕϕϕx
∆=-=∆212
见图3，随着振动的相位差从０～π的变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。

因此,每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线，测得了波
(a)0=∆ϕ （ｂ)4
π
ϕ=
∆ （c)2
π
ϕ=
∆ (d ）4
3π
ϕ=
∆ (e ）πϕ=∆ 图4－５－3 合成振动
长λ和频率f ，根据式f ⋅=λυ即可计算出声音传播的速度。

改变Ｓ1和S2之间的距离L ，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随Ｌ不断变化。

显然,当S1、Ｓ2之间距离改变半个波长2/λ=∆L ，则ϕ∆＝π。

2．共振干涉(驻波)法测声速
由声源Ｓ1发出的声波(频率为f ）,经介质(空气)传播到S 2,S 2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。

如果接收面（S ２）与发射面（Ｓ1）严格平行,入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。

反射面处是位移的波节,声压的波腹。

改变接收器与发射源之间的距离L ,在一系列特定的距离上,空气中出现稳定的驻波共振现象。

此时L 等于半波长的整数倍,驻波的幅度达到极大；同时,在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。

通过压电转换,产生的电信号的电压值也最大（示波器显示波形的幅值最大）。

因此，若保持频率不变,通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离ΔL,即可得到该波的波长λ(λ=2Δｘ)，并用f ⋅=λυ计算出声速。

3. 压电陶瓷换能器
压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。

图４－5-4 纵向换能器的结构
压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料(如石英、锆钛酸铅陶瓷等）,在一定温度下 经极化处理制成的。

它具有压电效应,即受到与极化方向一致的应力T 时，在极化方向上产生一定的电场强度E 且具有线性关系：T g E ⋅=，即力→电，称为正压电效应;当与极化方 向一致的外加电压U 加在压电材料上时,材料的伸缩形变S 与U 之间有简单的线性关系： U d S ⋅=,即电→力,称为逆压电效应。

其中g 为比例系数,d 为压电常数，与材料的性质有
关。

由于E 与T ，S 与U 之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源。

即压电换能器可以把电能转 换为声能作为超声波发生器，反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶瓷片作 为声频信号接收器。

因此，压电换能器可以把电能转换为声能作为声波发生器,也可把声能转换为电能作为声波接收器之用。

压电陶瓷换能器根据它的工作方式,可分为纵向(振动)换能器、径向(振动)换能器及弯 曲振动换能器。

图4-5-4所示为纵向换能器的结构简图。

【实验内容及步骤】
１.声速测试仪系统的连接与调试
接通电源，信号源自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态,预热1５m ｉn 。

声速测试仪和声速测试仪信号源及双踪示波器之间的连接如图4-５－2所示。

1）测试架上的换能器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端换能器接口（S 1)，用于输出相应频率的功率信号,接至测试架左边的发射换能器(S 1)；仪器面板上的接收端的换能器接口(S 2)，请连接测试架右边的接收换能器(S ２)。

正负电极片
后盖反射板压电陶瓷片辐射头
2)示波器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端的发射波形(Y1)，接至双踪示波器的CH1(X)，用于观察发射波形;信号源面板上的接收端的接收波形（Y２)，接至双踪示波器的CH２(Y),用于观察接收波形。

2．共振频率的调试测量
只有当换能器S1和S２发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形,应将外加的驱动信号频率调节到发射换能器S1谐振频率点处，才能较好地进行声能与电能的相互转换,提高测量精度,以得到较好的实验效果。

超声换能器工作状态的调节方法如下:各仪器都正常工作以后,首先调节声速测试仪信号源输出电压(１00mV～5０0mV之间），调节信号频率（在２5~45ｋHz）,观察频率调整时接收波的电压幅度变化,在某一频率点处(34.5~3７.５kHz之间)电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮,此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点,记录频率νi ，改变S1和S2之间的距离,适当选择位置(即：至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置),再微调信号频率,如此重复调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均值 0 。

3．用相位比较法(李萨如图形）测量波长
1) 将测试方法设置到连续波方式，连好线路,把声速测试仪信号源调到最佳工作频率f。

2)调节示波器:把“扫描时间”旋扭旋至“X-Y”方式；
3)移动Ｓ２,依次记下示波器上波形由图３中（ａ)变为图4-5-3中(ｅ)时,读数标尺位置的读数L1、L2…共1０个值；
4）记下室温t ;
５）用逐差法处理数据。

４.干涉法（驻波法)测量波长
1）按图４-5-1所示连接好电路;
２) 将测试方法设置到连续波方式,把声速测试仪信号源调到共振工作频率（根据共振特点观察波幅变化进行调节）。

3) 在共振频率下，将Ｓ2移近Ｓ１处，依次记下各振幅最大时的读数标尺位置L1、Ｌ2…共10个值；
４）记下室温ｔ;
5) 用逐差法处理数据。

【数据记录及处理】 1. 驻波法
t= 0C v ０＝331．4５m ／ｓ f = Hz
波幅最大位置
l i （mm ）
l 1
l 2
l 3
l 4
l 5
波幅最大位置
l i+5（mm ）
l 6
l 7
l 8
l 9
l 10
i
i i l l l -=∆+5（mm ）
5
∑∆=
∆i
l
l
5
2l
∆⨯
=λ λυ⋅=f 15
.273100t
v +
=υ 0υυυ-=∆ %1000
⨯∆=υυ
υE
2. 相位法
ｔ= ０
Ｃ =0v 331.45m/ｓ f = Ｈz
相位变化为π位置
l i （mm ）
l 1
l 2
l 3
l 4
l 5
相位变化为π位置
l i+5（mm ）
l 6
l 7
l 8
l 9
l 10
i i i l l l -=∆+5（mm ）
5
∑∆=
∆i
l l
5
2l
∆⨯
=λ λυ⋅=f
15
.273100t
v +
=υ 0υυυ-=∆ %1000
⨯∆=υυ
υE
【预习要求】
1、理解驻波法和相位比较法测量声速的基本原理。

2、了解形成驻波和李萨如图形的基本理论。

3、了解函数信号发生器和示波器的调整和使用方法。

4、理解测量波长的驻波法和相位比较法。

５、熟悉实验的具体内容。

6、列出测量数据记录表。

【注意事项】
1、必须仔细阅读教材中各仪器说明书，熟悉各个旋钮的功能，方可进行调节。

2、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。

3、调节仪器旋钮要轻缓,以免损坏。

4、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。

5、使用游标尺测量移动距离时，必须轻而缓慢地调节,手勿压游标尺。

6、换能器发射面和接受面要保持相互平行。

【思考题】
1、驻波法测量声速的原理和方法是什么？
２、相位比较法测量声速的原理和方法是什么？
3、实验中信号发生器和示波器各起什么作用？
4、实验中通过什么来发射和接收声波？
５、实验中为什么要在压电换能器谐振状态下测量空气中的声速？
6、实验时怎样找到超声换能器的谐振频率?
7、实验中为什么要使换能器发射面和接受面要保持相互平行？
8、实验中怎样才能知道接收换能器接收面的声压为极大值？
９、实验中为什么要记录室温？
１0、本实验采用逐差法处理数据有什么好处?。