三种测试方法测试声速

三种测试方法测试声速

一、实验目的

掌握测量声速的几种方法

实际测量声速

二、实验仪器

SV-DH系列声速测试仪为观察、研究声波在不同介质中传播现象，测量这些介质中声波传播速度的专用仪器。它们都由声速专用测试架及专用信号源二部分组成。仪器可用于大学基础物理实验。

SV-DH系列声速测试仪不但覆盖了基础物理声速实验中常用的二种测试

方法，而且，在上述常规测量方法基础上还可以用工程中实际使用的声速测量方法时差法进行测量。在时差法工作状态下，使用示波器，可以非常明显、直观地观察声波在传播过程中经过多次反射、叠加而产生的混响波形。

型号与组成

SV-DH系列声速测试仪是由声速测试仪（测试架）和声速测试仪信号源二个部分组成。下列声速测试仪都可增加固体声速测量装置，用于固体声速的测量。

对于声速测试架，有以下型号：

SV-DH-3型声速测定仪（支架式、千分尺读数）；

SV-DH-3A型声速测定仪（支架式、数显容栅尺读数）；

SV-DH-5型声速测定仪（液槽式、千分尺读数）；

SV-DH-5A型声速测定仪（液槽式、数显容栅尺读数）；

SV-DH-7型声速测定仪（液槽可脱卸、千分尺读数）。

SV-DH-7A型声速测定仪（液槽可脱卸、数显容栅尺读数）。

对于信号源，有以下型号：

SVX-3型声速测定信号源（频率范围20kHz～45kHz，带时差法测量脉冲信号源）；

SVX-5型声速测定信号源（频率范围20kHz～45kHz，带时差法测量脉冲信号源）；

SVX-7型通用信号源（频率范围50Hz～50KHz、带时差法测量脉冲信号源）；

图1列出SVX-5、SVX-7声速测试仪信号源面板，图2为声速测试仪外形示意图。

图

调节旋钮的作用：

信号频率：用于调节输出信号的频率；

发射强度：用于调节输出信号电功率（输出电压）；接收增益：用于调节仪器内部的接收增益。

图2 声速测试架外形示意图

主要技术参数

1. SV-DH声速测试仪

1.1 环境适应性：工作温度10～35℃；相对湿度25～75%。

1.2 抗电强度：仪器能耐受50Hz正弦波500V电压1min耐压试验。

1.3 配对压电陶瓷换能器：谐振频率：35±3kHz；可承受的连续电功率

不小于15W。

1.4 两换能器之间测试距离：50～280mm(支架式）、

50～350mm（水槽式）

1.5 外形：测试架外形尺寸：480mm×140mm×152mm（支架式）

530mm×140mm×160mm（水槽式）

2. SVX-3型声速测试仪信号源

2.1 功率信号源

2.1.1 频率范围：25kHz～45kHz

2.1.2 最大输出电压：15Vp-p

2.1.3 最大输出功率：5W

2.1.4 频率显示：5位LED数字显示

2.2 脉冲调制信号源

2.2.1 信号频率：36.5kHz

2.2.2 脉冲宽度：200μs

2.2.3 脉冲周期：8ms

2.3 计数定时器

2.3.1 计数定时范围：1μs～1s

2.3.2 分辨率：1μs

2.4 仪器外形尺寸：290mm×240mm×120mm

3. SVX-5型综合声速测试仪信号源

3.1 空气和液体切换测量

3.2 其他同SVX-3型声速测试仪信号源

4. SVX-7型通用信号源

4.1 空气、液体和固体介质切换测量

4.2 频率范围：50～500Hz，500～5kHz，5kHz～50kHz

4.3 其他同SVX-3型声速测试仪信号源

三、实验原理

1.超声波与压电陶瓷换能器

频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz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，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz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。

图3 纵向换能器的结构简图。

压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图3为纵向换能器的结构简图。

2.共振干涉法（驻波法）测量声速

假设在无限声场中，仅有一个点声源S1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。

在上述假设条件下，发射波ξ1=Acos （ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射，反射波ξ2=A 1cos （ωt+2πx /λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A 1＜A 。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加，合成波束ξ3

ξ3=ξ1+ξ2=(A 1+A 2）cos （ωt-2πx /λ)+A 1cos （ωt+2πx /λ) =A 1cos(2πx /λ)cos ωt+A 2cos （ωt - 2πx /λ) 由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx /λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx /λ)呈周期变化的特性。

图4所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx /λ)变化的特征。

图4 换能器间距与合成幅度

实验装置按图7所示，图中S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1和S2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。移动S2位置（即改变S1和S2之间的距离），你从示波器显示上会发现，当S2在某此位置时振幅有最小值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为λ/ 2。为了测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的改变S1和S2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间的距离为λ/2；S2移动过的距离亦为λ/2。超声换能器S2至S1之间的距离的改变可通过转动鼓轮

来实现，而超声波的频率又可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。

发射换能器与接收换能器之间的距离