超声波专题实验开展及其传播特性研究
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生器 的激 励 频 率 等 于压 电 陶 瓷 换 能 器 的 固有 频
率， 即＿ 厂 ＝３ ８ ． ６ ９ ４ ｋ Ｈ ｚ 。旋转声速测量仪的鼓轮改 ∞ １ 仰
声速测 量实验 属于大学 物理实 验 中的基础 性实验 ，
一
般仅 开设超 声波在空 气 中传播 速度 的测 量 ， 该 部
加后形成驻波 ， 当信号发生器的激励频率等于压 电 陶瓷换 能器 的固有 频率时 ， 会产生 驻波共 振 。通过
示波器 观察接 收端 Ｊ ｓ ：的电信号 波形 ， 如 图 ２所 示 ，
损耗 系数最大 。使用 Ｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｎ软件直线拟合 ， 对实验结果进行分 析和评 价。 关 键 词： 超声 波 ； 传播 速度 ； 损耗 系数
文献标志码 ： Ａ 中图分类号 ： ０ ４ — ３ ４
超声 波是一种 在弹性介 质 中传播 的机械 波 ， 由
法 …］ 、 相 位 法 佗 ］ 、 反 射 回波 法 等 ， 本 文 采 用共 振 干涉法研 究 不 同介质 中超 声波 的传播 特性 。共
波器 、 声 速测 量仪 和 信 号 发 生器 组 成 ， ｓ 和 ． ｓ ：为
压 电 陶瓷 换 能器 ， 利 用 压 电效应 实 现 声 压 和 电压
业、 生物医学以及科学研究等领域 ， 如超声波测距 和定位 、 超声波无 损检测 、 超声波 清洗 等 。 Ｊ 。描 述
声波 的物理 量有 波 长 、 频率 、 传 播 速度 、 强度等， 对 这些量 的测量 是声学技 术 的重要 内容 ， 声速 的测 量
在声 波测距 、 定 位 和无 损 检 测 中有 着 广泛 的应用 。
之 间 的相 互转 换 。在信 号发 生器 产生 的交 变 电压 作用 下 ， 使 发射 端 Ｓ 产 生 机 械 振 动 ， 将 激 发 的超 声 波经介 质 传播 到 接 收 端 Ｓ ， 若 接 收面 与 发射 面 平行 ， 声波 在接 收面 处就会 被 垂 直反 射 ， 当接收 端 与发射端 距离恰好 等于半波长 的整数倍 时 ， 两 波叠
＝凡・ （ １ ）
式中 ， 为接收 端 Ｓ ： 与发射 端 Ｓ 之 间的距 离 ， Ａ为 超 声波 波长 ， ｎ＝１ ， ２ ， ３ …。
１ 实 验 原 理
超 声 波传播 速 度 常用 的测量 方法 有 共振 干 涉
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — ０ １ 一 ｌ ８
声 速 、 超 声波 振动 频率 ． 厂 和波 长 Ａ之 间的关
系为 ：
＝ ｆｈ
（ ２ ）
基 金项 目 ： 大连 大学 ２ ０ １ ３年 度 教 改 项 目 （ ２ ０ １ ３ — １ ２ ６ Ｇ １ ）
超声 波专 题实验开展及 其传播特性研 究
测得 超声 波振 动频 率＿ 厂 和波长 Ａ， 可 得超 声波
振 干涉法 又称 驻波 法 ， 实验装 置 如 图 １所示 ， 由示
于其具有波长短 、 传播方向性好等优点 ， 在大学 物
理的声速测量实验中一般选择超声波段 的声波进 行测量 。超声 波 由于 其频 率 高 、 功率 大 、 穿 透 能 力
强、 信 息携 带 量 大 等 特 点 ， 已广 泛 应 用 于工 业 、 农
算不 同介质 中超 声 波 的损 耗 系数 等 。对 于实 验 数 据 的处 理要求 学 生使 用 Ｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｎ 、 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ等 软件 辅 助 完成 ， 在 学习物 理 内容 的同时 ， 熟练 掌握常用 数 据处 理软件 的使用 ， 不 断挖掘学 生学 习的积 极 主动
发现交 变 电压 的峰峰 值 随着接 收端 ５ ：的移 动
分原理 简单 ， 导 致实验 内容不饱 满 Ｊ ， 因此 ， 根据 仪
器特点 ， 可将声 速测量 实验改造 为超声 波专题 设 计
综合实验 ， 增设一些设计 『 生 实验内容 。测量超声 波在不 同介质 中 的传播 速度 ； 研究 同一 介质 中随发 射 和接 收端距 离 变化 ， 接 收 端振 幅的 变化 规 律 ； 计
性， 培 养学生 的创新意 识和能力 …。
在最大值和最小值之间循环变化 ， 当接收端 ． ｓ 与
发射 端 Ｓ 距离 等于半波长 的整数倍 时 ， 由示波器 可观察 到交变 电压 峰峰值 的最 大值 ， 移动 ５ ： ， 经 过半个 波长 ， 再次 出现 。 的最大值 ， 此 时相 邻两波 节（ 或波腹 ）间的距离等 于半个波长 ， 即：
在不 同介 质 中的传播 速 度 。
２ 超声波在不 同介 质中的传播速度 比较
温度 为 ２ Ｏ℃ 时 ， 固定 压 电陶瓷 换 能器 ５ 和
５ 的初 始距 离为 ６ ０ ｍｍ， 信 号 发 生器 输 出 的交 变
图１ 共 振 干 涉 法 实 验 装置 示 意 图
电压 Ｖ ｏ＝５ ０ ０ ｍ Ｖ； 调 节信 号 发 生 器 的频 率 ， 当压 电 陶瓷换 能器 ５ 的信 号振 幅达 到最 大 时 ， 信 号 发
第 ２ ７卷
第 ３期
大
学
物
理
实
验
Ｖｏ １ ． ２ ７ Ｎｏ ． ３
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２ ０ １ ４年 ６月
Ｐ ＨＹＳ Ｉ Ｃ ＡＬ ＥＸＰ Ｅ ＲＩ ＭＥ ＮＴ ＯＦ Ｃ０ Ｌ Ｌ Ｅ ＧＥ
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ｌ ４
文章 编 号 ： １ ０ ０ ７ — ２ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ０ ８ ７ — ０ ４
超 声 波 专 题 实 验 开 展 及 其 传 播 特 性 研 究
李艳琴
（ 大连大学 ， 辽宁 大连 １ １ ６ ６ ２ ２）
摘
要： 开设 了超声波专题设计综 合实 验 ， 测 量得 空气 、 水和 白油 中超 声波 传播 速度 ， 研究 了 同一
介质 中接收到的交变 电压 随传播距 离的变化规律 ， 空气 、 水 和 白油 中超声波 的损耗 系数 ， 水 中超 声波 的
率， 即＿ 厂 ＝３ ８ ． ６ ９ ４ ｋ Ｈ ｚ 。旋转声速测量仪的鼓轮改 ∞ １ 仰
声速测 量实验 属于大学 物理实 验 中的基础 性实验 ，
一
般仅 开设超 声波在空 气 中传播 速度 的测 量 ， 该 部
加后形成驻波 ， 当信号发生器的激励频率等于压 电 陶瓷换 能器 的固有 频率时 ， 会产生 驻波共 振 。通过
示波器 观察接 收端 Ｊ ｓ ：的电信号 波形 ， 如 图 ２所 示 ，
损耗 系数最大 。使用 Ｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｎ软件直线拟合 ， 对实验结果进行分 析和评 价。 关 键 词： 超声 波 ； 传播 速度 ； 损耗 系数
文献标志码 ： Ａ 中图分类号 ： ０ ４ — ３ ４
超声 波是一种 在弹性介 质 中传播 的机械 波 ， 由
法 …］ 、 相 位 法 佗 ］ 、 反 射 回波 法 等 ， 本 文 采 用共 振 干涉法研 究 不 同介质 中超 声波 的传播 特性 。共
波器 、 声 速测 量仪 和 信 号 发 生器 组 成 ， ｓ 和 ． ｓ ：为
压 电 陶瓷 换 能器 ， 利 用 压 电效应 实 现 声 压 和 电压
业、 生物医学以及科学研究等领域 ， 如超声波测距 和定位 、 超声波无 损检测 、 超声波 清洗 等 。 Ｊ 。描 述
声波 的物理 量有 波 长 、 频率 、 传 播 速度 、 强度等， 对 这些量 的测量 是声学技 术 的重要 内容 ， 声速 的测 量
在声 波测距 、 定 位 和无 损 检 测 中有 着 广泛 的应用 。
之 间 的相 互转 换 。在信 号发 生器 产生 的交 变 电压 作用 下 ， 使 发射 端 Ｓ 产 生 机 械 振 动 ， 将 激 发 的超 声 波经介 质 传播 到 接 收 端 Ｓ ， 若 接 收面 与 发射 面 平行 ， 声波 在接 收面 处就会 被 垂 直反 射 ， 当接收 端 与发射端 距离恰好 等于半波长 的整数倍 时 ， 两 波叠
＝凡・ （ １ ）
式中 ， 为接收 端 Ｓ ： 与发射 端 Ｓ 之 间的距 离 ， Ａ为 超 声波 波长 ， ｎ＝１ ， ２ ， ３ …。
１ 实 验 原 理
超 声 波传播 速 度 常用 的测量 方法 有 共振 干 涉
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — ０ １ 一 ｌ ８
声 速 、 超 声波 振动 频率 ． 厂 和波 长 Ａ之 间的关
系为 ：
＝ ｆｈ
（ ２ ）
基 金项 目 ： 大连 大学 ２ ０ １ ３年 度 教 改 项 目 （ ２ ０ １ ３ — １ ２ ６ Ｇ １ ）
超声 波专 题实验开展及 其传播特性研 究
测得 超声 波振 动频 率＿ 厂 和波长 Ａ， 可 得超 声波
振 干涉法 又称 驻波 法 ， 实验装 置 如 图 １所示 ， 由示
于其具有波长短 、 传播方向性好等优点 ， 在大学 物
理的声速测量实验中一般选择超声波段 的声波进 行测量 。超声 波 由于 其频 率 高 、 功率 大 、 穿 透 能 力
强、 信 息携 带 量 大 等 特 点 ， 已广 泛 应 用 于工 业 、 农
算不 同介质 中超 声 波 的损 耗 系数 等 。对 于实 验 数 据 的处 理要求 学 生使 用 Ｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｎ 、 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ等 软件 辅 助 完成 ， 在 学习物 理 内容 的同时 ， 熟练 掌握常用 数 据处 理软件 的使用 ， 不 断挖掘学 生学 习的积 极 主动
发现交 变 电压 的峰峰 值 随着接 收端 ５ ：的移 动
分原理 简单 ， 导 致实验 内容不饱 满 Ｊ ， 因此 ， 根据 仪
器特点 ， 可将声 速测量 实验改造 为超声 波专题 设 计
综合实验 ， 增设一些设计 『 生 实验内容 。测量超声 波在不 同介质 中 的传播 速度 ； 研究 同一 介质 中随发 射 和接 收端距 离 变化 ， 接 收 端振 幅的 变化 规 律 ； 计
性， 培 养学生 的创新意 识和能力 …。
在最大值和最小值之间循环变化 ， 当接收端 ． ｓ 与
发射 端 Ｓ 距离 等于半波长 的整数倍 时 ， 由示波器 可观察 到交变 电压 峰峰值 的最 大值 ， 移动 ５ ： ， 经 过半个 波长 ， 再次 出现 。 的最大值 ， 此 时相 邻两波 节（ 或波腹 ）间的距离等 于半个波长 ， 即：
在不 同介 质 中的传播 速 度 。
２ 超声波在不 同介 质中的传播速度 比较
温度 为 ２ Ｏ℃ 时 ， 固定 压 电陶瓷 换 能器 ５ 和
５ 的初 始距 离为 ６ ０ ｍｍ， 信 号 发 生器 输 出 的交 变
图１ 共 振 干 涉 法 实 验 装置 示 意 图
电压 Ｖ ｏ＝５ ０ ０ ｍ Ｖ； 调 节信 号 发 生 器 的频 率 ， 当压 电 陶瓷换 能器 ５ 的信 号振 幅达 到最 大 时 ， 信 号 发
第 ２ ７卷
第 ３期
大
学
物
理
实
验
Ｖｏ １ ． ２ ７ Ｎｏ ． ３
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２ ０ １ ４年 ６月
Ｐ ＨＹＳ Ｉ Ｃ ＡＬ ＥＸＰ Ｅ ＲＩ ＭＥ ＮＴ ＯＦ Ｃ０ Ｌ Ｌ Ｅ ＧＥ
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ｌ ４
文章 编 号 ： １ ０ ０ ７ — ２ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ０ ８ ７ — ０ ４
超 声 波 专 题 实 验 开 展 及 其 传 播 特 性 研 究
李艳琴
（ 大连大学 ， 辽宁 大连 １ １ ６ ６ ２ ２）
摘
要： 开设 了超声波专题设计综 合实 验 ， 测 量得 空气 、 水和 白油 中超 声波 传播 速度 ， 研究 了 同一
介质 中接收到的交变 电压 随传播距 离的变化规律 ， 空气 、 水 和 白油 中超声波 的损耗 系数 ， 水 中超 声波 的