聲速測定實驗報告.doc

1、Importa nt & Selected Docume nts實驗序號：28實驗題目：聲速測定試驗時間：20RR318實驗室：成績：班級：姓名：學號：指導教師【實驗目的】1了解壓電換能器的功能，加深對駐波及振動合成等理論知識的理解。2 學習用共振干涉法、相位比較法和時差法測定超聲波的傳播速度。3 通過用時差法對多種介質(zhì)的測量，了解聲納技術的原理及其重要的實用意義?！緦嶒炘怼吭诓▌舆^程中波速、波長和頻率之間存在著下列關系：，實驗中可通過測定聲波 的波長和頻率來求得聲速。常用的方法有共振干涉法與相位比較法。聲波傳播的距離與傳播的時間存在下列關系：，只要測出和就可測出聲波傳播的 速度，這就是時差

2、法測量聲速的原理。1 共振干涉法（駐波法）測量聲速的原理：當二束幅度相同，方向相反的聲波相交時，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。對于波束1：、波束2：,當它們相交會時，疊加后的波形成波束3:,這里為聲波的角頻率，為經(jīng)過的時間，為經(jīng)過的距離。由此可見，疊加后的聲波幅度，隨距離按變化。如圖28.1所示。壓電陶瓷換能器作為聲波發(fā)射器，它由信號源供給頻率為數(shù)千周的交流電信號， 由逆壓電效應發(fā)出一平面超聲波；而換能器則作為聲波的接收器，正壓電效應將接收 到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號，該信號輸入示波器，我們在示波器上可看到一組由聲壓信號 產(chǎn)生的正弦波形。聲源發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到，在接收聲波信號的同時反射部分 聲波信號

3、，如果接收面（）與發(fā)射面（）嚴格平行，入射波即在接收面上垂直反射， 入射波與發(fā)射波相干涉形成駐波。我們在示波器上觀察到的實際上是這兩個相干波合 成后在聲波接收器處的振動情況。移動位置（即改變與之間的距離），你從示波器顯 示上會發(fā)現(xiàn)當在某些位置時振幅有最小值或最大值。根據(jù)波的干涉理論可以知道：任 何二相鄰的振幅最大值的位置之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均 為。為測量聲波的波長，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時，緩圖28.1共振干涉法原理圖Important & Selected Documents慢的改變和之間的距離。示波器上就可以看到聲振動幅值不斷地由最大變到最小再變 到最

4、大，二相鄰的振幅最大之間移動過的距離亦為。超聲換能器至之間的距離的改變 可通過轉(zhuǎn)動螺桿的鼓輪來實現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲波測試儀信號源頻率顯示窗 口直接讀出。在連續(xù)多次測量相隔半波長的的位置變化及聲波頻率以后，我們可運用 測量數(shù)據(jù)計算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。2相位法測量原理聲源發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場，聲場在介質(zhì)中任一點的振動相位是隨時間而變 化的。但它和聲源的振動相位差不隨時間變化。設聲源方程為：距聲源處接收到的振動為：兩處振動的相位差：當把和的信號分別輸入到示波器軸和軸，那么當即時，合振動為一斜率為正的直線， 當，即時，合振動為一斜率為負的直線，當為其它值時，合成振動為橢圓（

5、如圖 28.2 ）。圖 28.2 接收信號與發(fā)射信號形成李薩如圖3時差法測量原理以上二種方法測聲速，是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察二個波的相位差，原 理是正確的，但存在讀數(shù)誤差。較精確測量聲速的方法是采用聲波時差法，時差法在 工程中得到了廣泛的應用。它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號加到發(fā)射換能器上，聲波在介 質(zhì)中傳播，經(jīng)過時間后，到達距離為處的接收換能器，那么可以用以下公式求出聲波 在介質(zhì)中傳播的速度，速度為。圖 28.3 相位法原理圖【實驗儀器】實驗儀器采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的型聲速測量組合儀及型聲速測定專用 信號源各一臺，其外形結(jié)構(gòu)見圖 28.4 。圖 28.4SV6 型聲速測量組合儀實物

6、照片組合儀主要由儲液槽、傳動機構(gòu)、數(shù)顯標尺、兩副壓電換能器等組成。儲液槽中 的壓電換能器供測量液體聲速用，另一副換能器供測量空氣及固體聲速用。作為發(fā)射 超聲波用的換能器固定在儲液槽的左邊，另一只接收超聲波用的接收換能器裝在可移Important & Selected Documents動滑塊上。上下兩只換能器的相對位移通過傳動機構(gòu)同步行進，并由數(shù)顯表頭顯示位 移的距離。發(fā)射換能器超聲波的正弦電壓信號由聲速測定專用信號源供給，換能器把接收到 的超聲波聲壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，用示波器觀察；時差法測量時則還要接到專用信號源 進行時間測量，測得的時間值具有保持功能。實驗時用戶需自備示波器一臺；游標卡尺一把

7、，用于測量固體棒的長度。圖 28.5 共振干涉法、相位法（上）、時差法（下）測量連線圖【實驗內(nèi)容】1. 聲速測量系統(tǒng)的連接聲速測量時，專用信號源、測試儀、示波器之間，連接方法見圖 28.5 。2. 諧振頻率的調(diào)節(jié)根據(jù)測量要求初步調(diào)節(jié)好示波器。將專用信號源輸出的正弦信號頻率調(diào)節(jié)到換能 器的諧振頻率，以使換能器發(fā)射出較強的超聲波，能較好地進行聲能與電能的相互轉(zhuǎn) 換，以得到較好的實驗效果，方法如下：（1）將專用信號源的“發(fā)射波形”端接至示波器，調(diào)節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步 的正弦波信號；（2）專用信號源的上“發(fā)射強度”旋鈕，使其輸出電壓在左右，然后將換能器的接收 信號接至示波器，調(diào)整信號頻率，觀察

8、接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（之 間，因不同的換能器或介質(zhì)而異）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器、相匹配頻 率點，記錄此頻率。（3）改變、的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調(diào)節(jié)正弦信號頻率，直至示波 器顯示的正弦波振幅達到最大值。共測次取平均頻率。3. 共振干涉法、相位法、時差法測量聲速的步驟（1）共振干涉法（駐波法）測量波長將測試方法設置到連續(xù)方式。按前面實驗內(nèi)容二的方法，確定最佳工作頻率。觀 察示波器，找到接收波形的最大值，記錄幅度為最大時的距離，由數(shù)顯尺上直接讀出 或在機械刻度上讀出；記下位置。然后，向著同方向轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時波形的 幅度會發(fā)生變化（同時在示波器上可以

9、觀察到來自接收換能器的振動曲線波形發(fā)生相 移），逐個記下振幅最大的， 共10個點，單次測量的波長。用逐差法處理這十個 數(shù)據(jù)，即可得到波長。Important & Selected Documents（2）相位比較法（李薩如圖法）測量波長將測試方法設置到連續(xù)波方式。確定最佳工作頻率，單蹤示波器接收波接到“”，發(fā)射波接到“”外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“”，發(fā)射波接到“”，打 到“”顯示方式，適當調(diào)節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形 為一定角度的斜線，記下的位置，再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，使 觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，這時來自接收換能器的振動波

10、形發(fā) 生了相移。依次記下示波器屏上斜率負、正變化的直線出現(xiàn)的對應位置，。單次波長。多次測定用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長。3）時差法測量聲速空氣介質(zhì)測量空氣聲速時 ,將專用信號源上 “聲速傳播介質(zhì) ”置于“空氣 ”位置,發(fā)射換能 器（帶有轉(zhuǎn)軸）用緊定螺釘固定，然后將話筒插頭插入接線盒中的插座中。將測試方法設置到脈沖波方式。將和之間的距離調(diào)到一定距離（）0開啟數(shù)顯表頭電源，并置，再調(diào)節(jié)接收增益，使示波器上顯示的接收波信號幅度在左右（峰-峰值），以使計時器工作在最佳狀態(tài)0然后記錄此時的距離值和顯示的時間值、（時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出 ）；移動，記錄下這時的距離值和顯示的時間 值、

11、0則聲速0記錄介質(zhì)溫度0需要說明的是，由于聲波的衰減，移動換能器使測量距離變大（這時時間也變 大）時，如果測量時間值出現(xiàn)跳變，則應順時針方向微調(diào)“接收放大”旋鈕，以補償 信號的衰減；反之測量距離變小時，如果測量時間值出現(xiàn)跳變，則應逆時針方向微調(diào) “接收放大”旋鈕，以使計時器能正確計時0液體介質(zhì)當使用液體為介質(zhì)測試聲速時，先小心將金屬測試架從儲液槽中取出，取出時應 用手指稍稍抵住儲液槽，再向上取出金屬測試架0然后向儲液槽注入液體，直至液面 線處，但不要超過液面線0注意：在注入液體時，不能將液體淋在數(shù)顯表頭上，然后 將金屬測試架裝回儲液槽0專用信號源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“液體”位置，換能器的連接

12、線接至測試架 上的“液體”專用插座上，即可進行測試，步驟與 1 相同0記錄介質(zhì)溫度0固體介質(zhì)：（ 只適合用時差法測量 ）測量非金屬（有機玻璃棒） 、金屬（黃銅棒）固體介質(zhì)時，可按以下步驟進行實驗：a. 將專用信號源上的“測試方法”置于“脈沖波”位置，“聲速傳播介質(zhì)”按測試材質(zhì)的 不同，置于“非金屬”或“金屬”位置0b. 先拔出發(fā)射換能器尾部的連接插頭，再將待測的測試棒的一端面小螺柱旋入接收換能器中心螺孔內(nèi)，再將另一端面的小螺柱旋入能旋轉(zhuǎn)的發(fā)射換能器上，使固體棒的兩端面與兩換能器的平面可靠、緊密接觸，注意：旋緊時，應用力均勻，不要用力過猛，以免損壞螺 紋，擰緊程度要求兩只換能器端面與被測棒兩端緊

13、密接觸即可。調(diào)換測試棒時，應先拔出 發(fā)射換能器尾部的連接插頭，然后旋出發(fā)射換能器的一端，再旋出接收換能器的一端。c. 把發(fā)射換能器尾部的連接插頭插入接線盒的插座中，按圖28.接線，即可開始測量。d. 記錄信號源的時間讀數(shù)，單位為。測試棒的長度可用游標卡尺測量得到并記錄。e. 用以上方法調(diào)換第二長度及第三長度被測棒，重新測量并記錄數(shù)據(jù)。f. 用逐差法處理數(shù)據(jù)，根據(jù)不同被測棒的長度差和測得的時間差計算出被測棒的聲速。【數(shù)據(jù)處理】1.共振平率：36.9KHZ駐波法-空氣介質(zhì)編號12345振幅最大點（mr）i66.7871.3575.9180.6185.2167891089.7994.4899.221

14、03.68108.43水介質(zhì)編號12345振幅最大點（mm）84.26106.83127.09149.01170.77678（910193.97216.41230.24239.48247.25李薩如圖法-空氣介質(zhì)編號12345圖形重合點（mm）62.7872.1181.8390.89100.19678910：109.76119.13128.38137.51146.31水介質(zhì)編號12345圖形重合點（mm）18.9062.499.10141.78184.08678910229.06272.08314.08355.08395.432以空氣介質(zhì)為例，計算出共振干涉法和相位法測得的波長平均值，及其標準

15、偏差, 同時考慮儀器的示值讀數(shù)誤差為。經(jīng)計算可得波長的測量結(jié)果。干涉法 空氣介質(zhì)：=2R【(89.79-66.78 )+( 94.48-71.45)+( 99.22-75.91 )+( 103.68- 80.61)+( 108.43-85.21 )】/25=9.26mm考慮儀器讀數(shù)誤差和標準偏差,相位法 空氣介質(zhì)：=(109.76-62.78)+(119.13-72.11)+(128.38-81.83)+(137.51-90.89)+(146.31-100.19)/25=9.33mm考慮儀器讀數(shù)誤差和標準偏差，3 按理論值公式，算出理論值。式中為時的聲速，。t=15 C4計算出通過二種方法測量

16、的以及值，其中。將實驗結(jié)果與理論值比較，計算百分比誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因?？蓪憺樵谑?溫為時，用共振干涉法（相位法）測得超聲波在空氣中的傳播速度為：（駐波法）（相位法）5 列表記錄用時差法測量非金屬棒及金屬棒的實驗數(shù)據(jù)。（1） 三根相同材質(zhì)，但不同長度待測棒的長度金屬棒長度（mm）時間（口 s）聲速（m/s）L1167762197.4L2208872390.8L3247992494.9非金屬棒長度（mm0時間（口 s）聲速（m/s）L11801081666.7L22201371605.8【思考題】1. 聲速測量中共振干涉法、相位法、時差法有何異同？從波源上說，干涉法、相位法用的是連續(xù)波，時差

17、法用的是脈沖波。從測量儀器上 說，干涉法、相位法要用示波器、刻尺和頻率計，時差法用的是計時儀器和刻尺。從原理 上說，干涉法、相位法原理相同，均是發(fā)射波和返回波形成駐波（在力學里對應的稱共 振），測量波腹到波腹之間的距離或駐波相位差為2Pi （兩個波腹到波腹之間的距離）距離來計算波速（波腹到波腹之間的距離為聲波長的1/2,用波長乘以頻率既得聲速），這種方法的優(yōu)點是通過示波器觀測波形直觀，又可以講解駐波和李薩如圖形，涉及知識點較 多，一般學校都會選擇這兩種方法做測量，缺點是波腹和相位差所對應的示波器波形判斷 人為因素太大，測量出來的數(shù)據(jù)偏差較大；時差法所用為脈沖波，可人為改變接收器到發(fā) 射器的距離，測量脈沖發(fā)射到接收的時間差，用距離改變量除以時間改變量即可，優(yōu)點是 人為因素少，測量精度高，缺點（對于實驗教學來說）涉及的內(nèi)容少，操作太簡單。2. 為什么要在諧振頻率條件下進行聲速測量？如何調(diào)節(jié)和判斷測量系統(tǒng)是否處于諧振狀 態(tài)？諧振時超聲波的發(fā)射和接收效率均達到最高；保持其他條件不變，僅僅改變信號發(fā)生器的 輸出頻率，觀