三種測試方法測試聲速

1、三種測試方法測試聲速一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握測量聲速的幾種方法 實(shí)際測量聲速二、實(shí)驗(yàn)儀器SV-DH系列聲速測試儀為觀察、研究聲波在不同介質(zhì)中傳播現(xiàn)象，測量這 些介質(zhì)中聲波傳播速度的專用儀器。它們都由聲速專用測試架及專用信號源 二部分組成。儀器可用于大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)。SV-DH系列聲速測試儀不但覆蓋了基礎(chǔ)物理聲速實(shí)驗(yàn)中常用的二種測試 方法，而且，在上述常規(guī)測量方法基礎(chǔ)上還可以用工程中實(shí)際使用的聲速測 量方法時差法進(jìn)行測量。在時差法工作狀態(tài)下，使用示波器，可以非常明顯、 直觀地觀察聲波在傳播過程中經(jīng)過多次反射、疊加而產(chǎn)生的混響波形。型號與組成SV-DH系列聲速測試儀是由聲速測試儀（測試架）和聲速測試儀信

2、號源二 個部分組成。下列聲速測試儀都可增加固體聲速測量裝置，用于固體聲速的 測量。對于聲速測試架，有以下型號：SV-DH-3型聲速測定儀（支架式、千分尺讀數(shù)）；SV-DH-3A型聲速測定儀（支架式、數(shù)顯容柵尺讀數(shù)）；SV-DH-5型聲速測定儀（液槽式、千分尺讀數(shù)）；SV-DH-5A型聲速測定儀（液槽式、數(shù)顯容柵尺讀數(shù)）；SV-DH-7型聲速測定儀（液槽可脫卸、千分尺讀數(shù)）。SV-DH-7A型聲速測定儀（液槽可脫卸、數(shù)顯容柵尺讀數(shù)）。 對于信號源，有以下型號：SVX-3型聲速測定信號源（頻率范圍 20kHz45kHz，帶時差法測量脈沖信號 源）；SVX-5型聲速測定信號源（頻率范圍20kHz45

3、kHz，帶時差法測量脈沖信號源）；SVX-7型通用信號源 （頻率范圍 50Hz50KHz、帶時差法測量脈沖信號源） ；圖1列出SVX-5、SVX-7聲速測試儀信號源面板，圖 2為聲速測試儀外形示意圖。SVX-5 綜合聲速測定儀信號源固體脈連沖續(xù)波波液氣體體圖1 SVX-5 、 SVX-7聲速測試儀信號源面板 調(diào)節(jié)旋鈕的作用： 信號頻率：用于調(diào)節(jié)輸出信號的頻率； 發(fā)射強(qiáng)度：用于調(diào)節(jié)輸出信號電功率（輸出電壓）； 接收增益：用于調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部的接收增益。圖 2 聲速測試架外形示意圖主要技術(shù)參數(shù)10 35；相對濕度 2575%。 50Hz正弦波 500V電壓 1min 耐壓試驗(yàn)。1. SV-DH 聲速測

4、試儀 環(huán)境適應(yīng)性：工作溫度 抗電強(qiáng)度：儀器能耐受 配對壓電陶瓷換能器：諧振頻率： 35± 3kHz；可承受的連續(xù)電功率不小于15W。 兩換能器之間測試距離：50外形：測試架外形尺寸：530mm2. SVX-3 型聲速測試儀信號源×140mm×160mm（水槽式）50280mm（支架式）、 350mm（水槽式） 480mm×140mm×152mm（支架式）功率信號源2.1.1 頻率范圍： 25kHz45kHz2.1.2 最大輸出電壓： 15Vp-p2.1.3 最大輸出功率： 5W2.1.4 頻率顯示： 5位 LED數(shù)字顯示 脈沖調(diào)制信號源2.2.

5、1 信號頻率：2.2.2 脈沖寬度： 200 s2.2.3 脈沖周期： 8ms 計(jì)數(shù)定時器計(jì)數(shù)定時范圍： 1s 1s分辨率： 1 s 儀器外形尺寸： 290mm×240mm× 120mm3. SVX-5 型綜合聲速測試儀信號源 空氣和液體切換測量 其他同 SVX-3型聲速測試儀信號源4. SVX-7 型通用信號源 空氣、液體和固體介質(zhì)切換測量 頻率范圍： 50500Hz，5005kHz， 5kHz 50kHz 其他同 SVX-3型聲速測試儀信號源三、實(shí)驗(yàn)原理1. 超聲波與壓電陶瓷換能器頻率 20Hz-20kHz的機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中傳播形成聲波， 高于 20kHz稱為 超聲

6、波，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而超聲波具有波長短，易 于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，聲速實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻率一般都在2060kHz之間。在此頻率范圍內(nèi)，采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器、接收器效果最佳。圖 3 縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖 。壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，分為縱向(振動)換能器、徑向(振 動)換能器及彎曲振動換能器。聲速教學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的大多數(shù)采用縱向換能 器。圖 3為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。2. 共振干涉法(駐波法)測量聲速 假設(shè)在無限聲場中，僅有一個點(diǎn)聲源 S1(發(fā)射換能器)和一個接收平面 (接收換能器 S2)。當(dāng)點(diǎn)聲源發(fā)出聲波后，在此聲場中只有一個反射面(即 接收換能器平面)，并且

7、只產(chǎn)生一次反射。在上述假設(shè)條件下，發(fā)射波 1=Acos( t+2 x / ) 。在 S2處產(chǎn)生反射， 反射波 2=A1cos(t+2x / ) ，信號相位與 1相反，幅度 A1< A。 1與 2在反射平面相交疊加，合成波束 33=1+2=(A1+A2)cos(t-2 x / )+A 1cos ( t+2x / )=A 1cos(2 x / )cos t+A 2cos ( t - 2 x / ) 由此可見，合成后的波束 3在幅度上，具有隨 cos(2 x / ) 呈周期變化 的特性，在相位上，具有隨 (2x / )呈周期變化的特性。圖4所示波形顯示了疊加后的聲波幅度，隨距離按cos(2 x

8、 / ) 變化的特征。接收到的信號幅度的包絡(luò)波發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離圖 4 換能器間距與合成幅度實(shí)驗(yàn)裝置按圖 7所示，圖中 S1和S2為壓電陶瓷換能器。 S1作為聲波發(fā)射器， 它由信號源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號，由逆壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超 聲波；而 S2則作為聲波的接收器，壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號。 將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號產(chǎn)生的正弦波形。由于S2在接收聲波的同時還能反射一部分超聲波，接收的聲波、發(fā)射的聲波振幅雖有 差異，但二者周期相同且在同一線上沿相反方向傳播，二者在S1和 S2區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了波的干涉，形成駐波。我們在示波器上觀察到的實(shí)際上是這兩個相干

9、 波合成后在聲波接收器 S2處的振動情況。移動 S2位置(即改變 S1和 S2之間的 距離)，你從示波器顯示上會發(fā)現(xiàn)，當(dāng) S2在某此位置時振幅有最小值。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 / 2。為了測量聲波的波長，可以在一 邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時，緩慢的改變S1和 S2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大，二相鄰的振幅 最大之間的距離為 /2 ；S2移動過的距離亦為 /2 。超聲換能器 S2至S1之間 的距離的改變可通過轉(zhuǎn)動鼓輪 來實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲速測試儀信號源頻率顯

10、示窗口直接讀出。圖5 用李薩如圖觀察相位變化 在連續(xù)多次測量相隔半波長的 S2的位置變化及聲波頻率 f 以后，我們可運(yùn) 用測量數(shù)據(jù)計(jì)算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。3. 相位法測量原理 由前述可知入射波 1 與反射波 2疊加，形成波束 3 即3 =A 1cos（2 x / ）cos t+A 2cos（ t - 2 x / ） 即對于波束： 1 =Acos （ t - 2 x / ） 由此可見， 在經(jīng)過 x距離后，接收到的余弦波與原來位置處的相位差 （相 移）為 = 2 x / 。如圖 5所示。因此能通過示波器，用李薩如圖法觀察 測出聲波的波長。4. 時差法測量原理 連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后由發(fā)射換

11、能器發(fā)射至被測介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳 播，經(jīng)過 t 時間后，到達(dá) L距離處的接收換能器。由運(yùn)動定律可知，聲波在介 質(zhì)中傳播的速度可由以下公式求出：速度V=距離L/ 時間t圖 6 發(fā)射波與接收波 通過測量二換能器發(fā)射接收平面之間距離 L和時間 t , 就可以計(jì)算出當(dāng)前 介質(zhì)下的聲波傳播速度。四、實(shí)驗(yàn)步驟圖 7 駐波法、相位法連線圖1. 儀器在使用之前，加電開機(jī)預(yù)熱 15min。在接通市電后，自動工作在連 續(xù)波方式，選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)。2. 駐波法測量聲速。測量裝置的連接如圖 7所示，信號源面板上的發(fā)射端換能器接口（ S1），用于輸出一定頻 率的功率信號，請接至測試架的發(fā)射換能器（S1）；

12、信號源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形 Y1，請接至雙蹤示波器的 CH1（Y1），用于觀察發(fā)射波形；接收換 能器（ S2）的輸出接至示波器的 CH2（ Y2）測定壓電陶瓷換能器的最佳工作點(diǎn)只有當(dāng)換能器 S1的發(fā)射面和 S2的接收面保持平行時才有較好的接收效 果；為了得到較清晰的接收波形，應(yīng)將外加的驅(qū)動信號頻率調(diào)節(jié)到換能器S1、S2的諧振頻率點(diǎn)處時，才能較好的進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換（實(shí)際上有一 個小的通頻帶），以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。按照調(diào)節(jié)到壓電陶瓷換能器諧振 點(diǎn)處的信號頻率，估計(jì)一下示波器的掃描時基 t/div ，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，使在示波 器上獲得穩(wěn)定波形。超聲換能器工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)方法如下：各儀器都正常

13、工作以后，首先調(diào) 節(jié)發(fā)射強(qiáng)度旋鈕，使聲速測試儀信號源輸出合適的電壓（8 10VP-P之間），再調(diào)整信號頻率（在 25 45kHz），選擇合適的示波器通道增益（一般 1V/div 之 間的位置），觀察頻率調(diào)整時接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（之 間）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配頻率點(diǎn)，記錄頻率FN，改變 S1和S2間的距離，適當(dāng)選擇位置，重新調(diào)整，再次測定工作頻率， 共測5次，取平均頻率 f 。測量步驟將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，合適選擇相應(yīng)得測試介質(zhì)。完成前述、 步驟后，觀察示波器，找到接收波形的最大值。然后轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，這 時波形的幅度會發(fā)生變化， 記錄下幅度

14、為最大時的距離 Li-1 ，距離由數(shù)顯尺 （數(shù) 顯尺原理說明見附錄 2）或在機(jī)械刻度上讀出，再向前或者向后（必須是一個 方向）移動距離，當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時，記錄下此時的距離Li 。即有：波長 i=2Li -L i-1 ，多次測定用逐差法處理數(shù)據(jù)。3. 相位法 / 李薩如圖法測量波長的步驟將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，合適選擇相應(yīng)的測試介質(zhì)。完成前述、 步驟后，將示波器打到“ X-Y”方式，并選擇合適的通道增益。轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié) 鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線， 記錄下此時的距離 Li-1 ；距離由數(shù)顯尺 （數(shù) 顯尺原理說明見附錄 2）或機(jī)械刻度尺上讀出，再向前或者向后（必須是一個 方向）移動

15、距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，記錄 下此時的距離 Li 。即有：波長 i=Li -L i-1 4. 干涉法 / 相位法測量數(shù)據(jù)處理已知波長 i和頻率 f i ，（頻率由聲速測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀 出。）則聲速 Ci=i×f i 。因聲速還與介質(zhì)溫度有關(guān)，所以必要時請記下介質(zhì)溫度 t 。5. 時差法測量聲速步驟圖 8 時差法測量聲速接線圖按圖8所示進(jìn)行接線。將測試方法設(shè)置到脈沖波方式，并選擇相應(yīng)的測試 介質(zhì)。將 S1和 S2之間的距離調(diào)到一定距離（ 50mm），再調(diào)節(jié)接收增益，使 顯示的時間差值讀數(shù)穩(wěn)定，此時儀器內(nèi)置的計(jì)時器工作在最佳狀態(tài)。然后記 錄此時的

16、距離值和信號源計(jì)時器顯示的時間值Li-1 、t i-1 。移動S2，如果計(jì)時器讀數(shù)有跳字，則微調(diào)（距離增大時，順時針調(diào)節(jié)；距離減小時，逆時針調(diào)節(jié)） 接收增益，使計(jì)時器讀數(shù)連續(xù)準(zhǔn)確變化。記錄下這時的距離值和顯示的時間 值Li、t i。則聲速 Ci =（ Li -L i-1 ）/ （t i-t i-1 ）。當(dāng)使用液體為介質(zhì)測試聲速時，先在測試槽中注入液體，直至把換能器 完全浸沒， 但不能超過液面線。 然后將信號源面板上的介質(zhì)選擇鍵切換至 “液 體”，即可進(jìn)行測試，步驟相同。6*. 固體介質(zhì)中的聲速測量在固體中傳播的聲波是很復(fù)雜的，它包括縱波、橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、 表面波等，而且各種聲速都與固體棒

17、的形狀有關(guān)。金屬棒一般為各向異性結(jié) 晶體，沿任何方向可有三種波傳播，只在特殊情況下為縱波。固體介質(zhì)中的聲速測量需另配專用的 SVG固體測量裝置，用時差法進(jìn)行測量。 實(shí)驗(yàn)提供兩種測試介質(zhì)：塑料棒和鋁棒。每種材料有長、中、短三根樣 品，塑料棒的長度分別為 160mm、120mm、 80mm；金屬棒的長度分別為 180mm、 130mm、80mm。對于每種材料的固體棒，只需測兩根樣品，即可按上面的方法 算出聲速：C i = （ Li -L i-1 ） / （ t i-t i-1 ）。測量時，按圖 8接線。為了得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，測量時需要在固體棒兩 端面上涂上適量的耦合劑，使其接觸良好。將接收增益調(diào)

18、到適當(dāng)位置（一般為最大位置），以計(jì)時器不跳字為好。 介質(zhì)選擇為“固體”。將固體棒放在專用支架上，轉(zhuǎn)動鼓輪，使兩個換能器 之間的距離能夠放下固體棒，再轉(zhuǎn)動鼓輪，使兩換能器的端面與固體棒緊密 接觸并對準(zhǔn)。提示：金屬棒的計(jì)時讀數(shù)在 33 55 s之間，塑料棒的計(jì)時讀數(shù)在 55 110 s為正常值，跳字或者大于這個范圍的一般是沒有接觸好。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1、自擬表格記錄所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表格要便于用逐差法求相應(yīng)位置的差值 和計(jì)算。2、以空氣介質(zhì)為例，計(jì)算出共振干涉法和相位法測得的波長平均值，及 其標(biāo)準(zhǔn)偏差 S，同時考慮儀器的示值讀數(shù)誤差為 0.01mm。經(jīng)計(jì)算可得波長的測 量結(jié)果 =±。3、按理論

19、值公式 Vs V0 TT ，算出理論值 VS。T0式中 V0=331.45m/s 為 T0=時的聲速， T=（t+K ?；虬唇?jīng)驗(yàn)公式 V=（ +） m/s，計(jì)算 V。t 為介質(zhì)溫度（）。4、計(jì)算出通過二種方法測量的 V以及 V值，其中 V=V-VS。 將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值比較， 計(jì)算百分比誤差。 分析誤差產(chǎn)生的原因。 可寫為 在室溫為 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 V= ± m/s ， V = VS5、列表記錄用時差法測量塑料棒及金屬棒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（ 1）三根相同材質(zhì)，但不同長度待測棒的長度。（2）每根測試棒所測得相對應(yīng)的時間。（3）用逐差法求相應(yīng)的差值，然后計(jì)算出聲速，并與理論聲速傳播測量參數(shù) 進(jìn)行比較，并計(jì)算百分誤差。6、聲速測量值與公認(rèn)值比較（1）、空氣中聲速，按理論值公式 Vs V0 TT ，求得 VS。式中 V0=331.45m/s 為 T0=時的聲速， T=（t+K ?；虬唇?jīng)驗(yàn)公式 V=（ +） m/s，計(jì)算 V。t 為介質(zhì)溫度（）。2）液體中的聲速介質(zhì)溫度（）聲波速度（ m s）海水171510-1550普通水251497菜籽油3081450變壓器油32514253）固體中的縱波聲速：鋁：銅：C棒 =5150m/s，C 塊 =6300m/sC棒 =3700m/s，C