《聲速的測量》ppt課件

1、超聲聲速測定超聲聲速測定太原理工大學物理實驗中心太原理工大學物理實驗中心一、聲波背景一、聲波背景二、實驗目的二、實驗目的三、實驗原理三、實驗原理四、實驗儀器四、實驗儀器五、實驗內(nèi)容五、實驗內(nèi)容六、數(shù)據(jù)處置六、數(shù)據(jù)處置一、聲波背景一、聲波背景1、聲音與我們的生活、聲音與我們的生活2、聲速丈量的目的、聲速丈量的目的 3、聲速丈量的開展、聲速丈量的開展 自然界中充溢了各種各樣的聲音：收音機里播放的悅耳音樂聲，飛機擦過長空時擾人的噪聲，狂風的吼叫聲，海禱 的怒吼聲，爽朗的歡笑聲，歡樂的交談聲，等等，在日常生 活中處處都可以聽到。可見聲音與我們的生活是親密相關(guān)的。 人類對聲學的研討最早可以追溯到公元前5

2、80年埃及人畢達 哥拉斯。 而古希臘人亞里士多德接觸到聲學實際，他持有關(guān)于空氣的運動性質(zhì)構(gòu)成聲音的正確思想，并且他還知道，假設(shè)管的長度加倍，那么管內(nèi)的振動就要花兩倍的時間。1.聲音與我們的生活 牛頓在他的牛頓在他的中對聲速作了實際推導，但實驗的結(jié)果與中對聲速作了實際推導，但實驗的結(jié)果與此并不相符，牛頓推測了實驗值和實際值之間不一致的緣由。但此并不相符，牛頓推測了實驗值和實際值之間不一致的緣由。但是，真正的解釋是在過了一個世紀之后由拉普拉斯是，真正的解釋是在過了一個世紀之后由拉普拉斯(17491827)做做的。的。 牛頓沒有思索到由于緊縮變熱和稀疏致冷引起的彈性變化。牛頓沒有思索到由于緊縮變熱和

3、稀疏致冷引起的彈性變化。 今天人們對聲音的研討，從語音聲學、生理聲學、建筑聲學、今天人們對聲音的研討，從語音聲學、生理聲學、建筑聲學、環(huán)境聲學、水聲學、超聲學等等，普及各個領(lǐng)域。環(huán)境聲學、水聲學、超聲學等等，普及各個領(lǐng)域。 特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在0.0001赫茲至赫茲至20赫茲之間的波。雖然我們的耳朵聽不見它，在我們周圍由自然赫茲之間的波。雖然我們的耳朵聽不見它，在我們周圍由自然和人工產(chǎn)生的次聲波也很多。和人工產(chǎn)生的次聲波也很多。 2 2、聲速丈量的目的、聲速丈量的目的 聲學丈量和分析是人們認識聲學問題本質(zhì)的一種手段。聲學丈量和分析

4、是人們認識聲學問題本質(zhì)的一種手段。經(jīng)過必要的丈量和分析可以對聲學有定量概念，從而了解經(jīng)過必要的丈量和分析可以對聲學有定量概念，從而了解其規(guī)律性。其規(guī)律性。 聲學丈量通常是指先用電聲聲學丈量通常是指先用電聲( (或機電或機電) )換能器把聲波換能器把聲波( (或振或振動動) )轉(zhuǎn)換成相應的電信號，然后用電子儀表放大到一定的電轉(zhuǎn)換成相應的電信號，然后用電子儀表放大到一定的電壓，再進展丈量與分析的技術(shù)以及有關(guān)聲學儀器的任務(wù)原壓，再進展丈量與分析的技術(shù)以及有關(guān)聲學儀器的任務(wù)原理理 3、聲速丈量的開展 二十世紀以來，聲學丈量技術(shù)開展很快目前二十世紀以來，聲學丈量技術(shù)開展很快目前 聲學儀器有較大開展，并具

5、有高保真度，如寬的頻聲學儀器有較大開展，并具有高保真度，如寬的頻 范圍和動態(tài)范圍，小的非線性畸變和良好的瞬態(tài)響范圍和動態(tài)范圍，小的非線性畸變和良好的瞬態(tài)響 應等。應等。 過去，丈量聲波和振動的儀表都是模擬式電子儀過去，丈量聲波和振動的儀表都是模擬式電子儀表，丈量的速度和準確度遭到一定的限制。六十年代表，丈量的速度和準確度遭到一定的限制。六十年代初。出現(xiàn)了數(shù)字式儀表，直接采用數(shù)字顯示，提高了初。出現(xiàn)了數(shù)字式儀表，直接采用數(shù)字顯示，提高了丈量時讀數(shù)的準確度。丈量時讀數(shù)的準確度。 由于計算技術(shù)和高質(zhì)量、低由于計算技術(shù)和高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路的開展，人們已能用由微處置功耗的大規(guī)模集成電路的開展

6、，人們已能用由微處置機控制的自動丈量替代逐點丈量，使許多需求事后計機控制的自動丈量替代逐點丈量，使許多需求事后計算的聲學丈量和分析任務(wù)可以用微計算機實時運算。算的聲學丈量和分析任務(wù)可以用微計算機實時運算。 以微處置機為中心的丈量儀器，不但實現(xiàn)了小型化、以微處置機為中心的丈量儀器，不但實現(xiàn)了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法從而實現(xiàn)了多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法從而實現(xiàn)了實時分析。同時也出現(xiàn)了一些新的聲學丈量和分析方法，實時分析。同時也出現(xiàn)了一些新的聲學丈量和分析方法，例照實時頻譜分析，聲強丈量，聲源鑒別，瞬態(tài)信號分例照實時頻譜分析，聲強丈量，聲源鑒別，瞬態(tài)信號分析，相關(guān)分

7、析等。析，相關(guān)分析等。 今后聲學丈量的義務(wù)是采用新的丈量技術(shù)，提出新今后聲學丈量的義務(wù)是采用新的丈量技術(shù)，提出新的丈量力法，運用自動化數(shù)字式儀器，以提高丈量的淮的丈量力法，運用自動化數(shù)字式儀器，以提高丈量的淮確度和速度。確度和速度。 回想歷史，可以看到，在開展經(jīng)回想歷史，可以看到，在開展經(jīng)典聲學的典聲學的 過程中，許多研討任務(wù)是直過程中，許多研討任務(wù)是直接用人耳來聽聲音的。直到本世紀，開展接用人耳來聽聲音的。直到本世紀，開展了無線電電子學，才使聲波的丈量采用了了無線電電子學，才使聲波的丈量采用了電聲換能器和電子丈量儀器。電聲換能器和電子丈量儀器。 高性能的丈量傳聲器、頻譜分祈儀和聲級記高性能的

8、丈量傳聲器、頻譜分祈儀和聲級記 錄器實現(xiàn)了聲信號的聲壓級丈量，頻譜分析和聲錄器實現(xiàn)了聲信號的聲壓級丈量，頻譜分析和聲情號特性的自動記錄；從而可以丈量各種不同頻情號特性的自動記錄；從而可以丈量各種不同頻率、不同強度和波形的聲波，擴展了聲學的研討率、不同強度和波形的聲波，擴展了聲學的研討范圍，促進了近代聲學的開展?？梢云谕?，計算范圍，促進了近代聲學的開展。可以期望，計算技術(shù)和大規(guī)模集成電路的開展，微計算機和微處技術(shù)和大規(guī)模集成電路的開展，微計算機和微處置機在聲學任務(wù)中的運用，必將促使近代聲學進置機在聲學任務(wù)中的運用，必將促使近代聲學進一步開展一步開展 二、實二、實 驗驗 目目 的的 1、學慣用共振

9、干涉法和相位比較法測定空氣、學慣用共振干涉法和相位比較法測定空氣 中的聲速。加深對共振、振動合成、波的中的聲速。加深對共振、振動合成、波的 干涉等實際干涉等實際2、了解壓電換能器的功能及超聲、了解壓電換能器的功能及超聲波波 的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接受原的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接受原 理理3、熟習低頻信號函數(shù)發(fā)生器、模、熟習低頻信號函數(shù)發(fā)生器、模擬擬 示波器的運用運用方法。示波器的運用運用方法。聲速的特點聲速的特點 頻率在頻率在2020000Hz的聲振動在彈性媒質(zhì)中所激起的縱波稱聲的聲振動在彈性媒質(zhì)中所激起的縱波稱聲波。聲波是一種機械波。頻率超越波。聲波是一種機械波。頻率超越20000Hz的聲波稱為超

10、聲波。聲的聲波稱為超聲波。聲波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。聲波在空氣中波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。聲波在空氣中的傳播速度與聲波的頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)，因此有的傳播速度與聲波的頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)，因此有RTv-絕熱系數(shù)，絕熱系數(shù)，R-摩爾氣體常數(shù)，摩爾氣體常數(shù)，-空氣分子的摩爾質(zhì)量，空氣分子的摩爾質(zhì)量，T-絕對溫絕對溫度度三、實驗原理三、實驗原理15.273t15.27345.331tv 由此可見，氣體中的聲速由此可見，氣體中的聲速 v 和溫度和溫度 T 有關(guān)，還與比熱比有關(guān)，還與比熱比 及摩及摩爾質(zhì)量爾質(zhì)量 有關(guān)，后兩個要素與氣體成分

11、有關(guān)。因此，根據(jù)測定出的有關(guān)，后兩個要素與氣體成分有關(guān)。因此，根據(jù)測定出的聲速還可以推算出氣體的一些參量。聲速還可以推算出氣體的一些參量。 在規(guī)范形狀下，在規(guī)范形狀下，0 oC時，聲速為時，聲速為 vo331.45ms，顯然在，顯然在 t oC時，枯燥空氣中聲速的實際值應為時，枯燥空氣中聲速的實際值應為 由此我們也可以想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是不同由此我們也可以想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是不同的的 。 本實驗是對超聲波波速的丈量。丈量聲速最簡單、本實驗是對超聲波波速的丈量。丈量聲速最簡單、最有效的方法之一是利用聲速最有效的方法之一是利用聲速v 、振動頻率、振動頻率 f 和波長和波

12、長 之之間的根本關(guān)系，即間的根本關(guān)系，即 v=f 測出聲振動頻率測出聲振動頻率 f 和聲波的波長和聲波的波長 ，就可算出聲波的波，就可算出聲波的波速速 v。當然這僅僅是一種最簡便的近似丈量。當然這僅僅是一種最簡便的近似丈量。 實驗室中常利用，用共振干涉法、相位比較法測定波實驗室中常利用，用共振干涉法、相位比較法測定波長長 ，由函數(shù)發(fā)生器或示波器直接讀出頻率，由函數(shù)發(fā)生器或示波器直接讀出頻率 f。 丈量方法丈量方法共振干涉法駐波法共振干涉法駐波法S1發(fā)射S2反射干涉而成駐波LS2外表聲壓與其位置的關(guān)系2232Lp波腹波節(jié)波腹處的駐波波腹處的駐波-80-80-60-60-40-40-20-200

13、020204040606080800 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1干涉干涉發(fā)射發(fā)射反射反射波節(jié)處的駐波波節(jié)處的駐波-60-60-40-40-20-200 02020404060600 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1干涉干涉發(fā)射發(fā)射反射反射結(jié)論：每兩個相臨波腹波節(jié)間的間隔為2 s1和和s2為壓電陶瓷超聲換能器，為壓電陶瓷超聲換能器，s1作為超聲源發(fā)射頭，作為超聲源發(fā)射頭，信號源發(fā)出的正弦電壓信號接到換能器信號源發(fā)出的正弦電壓信號接到換能器s1后，即能發(fā)出一平面聲后，即能發(fā)出一平面聲波。波。s2作為超聲波的接納頭，接納的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號后輸入示

14、作為超聲波的接納頭，接納的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號后輸入示波器察看，波器察看，s2在接納超聲波的同時還反射一部分超聲波。這樣，在接納超聲波的同時還反射一部分超聲波。這樣，由由s1發(fā)出的超聲波和由發(fā)出的超聲波和由s2反射的超聲波在反射的超聲波在s1、s2之間的區(qū)域干涉之間的區(qū)域干涉而構(gòu)成駐波。改動而構(gòu)成駐波。改動s1、s2之間的間隔，在一系列特定的位置上，之間的間隔，在一系列特定的位置上，接納面接納面s2上的聲壓到達極大值，可以證明：相鄰兩極大值之間的上的聲壓到達極大值，可以證明：相鄰兩極大值之間的間隔為半波長。間隔為半波長。 為了測出駐波相鄰波腹或相鄰波節(jié)之為了測出駐波相鄰波腹或相鄰波節(jié)之間的半波長間

15、隔，可改動間的半波長間隔，可改動s1和和s2之間的間隔，之間的間隔，此時，可以看到示波器上顯示的信號幅度發(fā)生此時，可以看到示波器上顯示的信號幅度發(fā)生周期性的大小變化，即由一個極大變到極小，周期性的大小變化，即由一個極大變到極小，再變到極大，而幅度每一次周期性的變化，就再變到極大，而幅度每一次周期性的變化，就相當于相當于s1、s2之間的間隔改動了。之間的間隔改動了。s1、s2之之間間隔的改動由游標尺測得。由信號源可讀出間間隔的改動由游標尺測得。由信號源可讀出超聲源的頻率超聲源的頻率f，這樣就可計算出聲速，這樣就可計算出聲速v。2. 2. 相位法相位法 波是振動形狀的傳播，也可以說是相位的傳播。波

16、是振動形狀的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，其振動形狀一樣沿傳播方向上的任何兩點，其振動形狀一樣(同相同相: 相相位差為位差為0)或者說其相位差為或者說其相位差為2的整數(shù)倍時兩點間的間的整數(shù)倍時兩點間的間隔應等于波長隔應等于波長的整數(shù)倍，即的整數(shù)倍，即 l = n (n為一正整數(shù)為一正整數(shù)) 利用這個公式可丈量波長。利用這個公式可丈量波長。相位法又可分為行波法和李薩如圖形法。相位法又可分為行波法和李薩如圖形法。(1)行波法行波法 將發(fā)射信號和接納信號同時輸入到示波器，此將發(fā)射信號和接納信號同時輸入到示波器，此時示波器上同時顯示的發(fā)送和接納電信號。當改動時示波器上同時顯示的發(fā)

17、送和接納電信號。當改動兩個換能器之間的間隔時，發(fā)送信號不變，而接納兩個換能器之間的間隔時，發(fā)送信號不變，而接納電信號正弦波的幅值和位置均發(fā)生變化，當接電信號正弦波的幅值和位置均發(fā)生變化，當接納電信號的位置與發(fā)射信號的位置前后兩次重合時納電信號的位置與發(fā)射信號的位置前后兩次重合時接納器走過的間隔，就是信號的波長。接納器走過的間隔，就是信號的波長。12xxl(2)李薩如圖法李薩如圖法lvlf22 從從s1發(fā)出的超聲波經(jīng)過媒質(zhì)到達接納頭發(fā)出的超聲波經(jīng)過媒質(zhì)到達接納頭s2，在發(fā)射波和接納波之間產(chǎn)生相位差，此相位差在發(fā)射波和接納波之間產(chǎn)生相位差，此相位差和角頻率和角頻率=2f、傳播時間、傳播時間、聲速、

18、聲速v、間、間隔隔l、波長、波長之間有以下關(guān)系：之間有以下關(guān)系： 由上式可知，假設(shè)要使相位差由上式可知，假設(shè)要使相位差改動改動2，那么，那么， s1和和s2的間距的間距l(xiāng)就要相應地改動一個波長就要相應地改動一個波長 。于是，。于是，根據(jù)相位差的根據(jù)相位差的2變化，便可以丈量出波長來。聲變化，便可以丈量出波長來。聲波頻率由信號源讀出，根據(jù)上式便可算出聲速。波頻率由信號源讀出，根據(jù)上式便可算出聲速。 我們可以經(jīng)過示波器來察看相位差。相互垂直我們可以經(jīng)過示波器來察看相位差。相互垂直的兩個諧振動的合成，能得到李薩如圖形。假設(shè)兩的兩個諧振動的合成，能得到李薩如圖形。假設(shè)兩個諧振動的頻率一樣，那么李薩如圖

19、形就很簡單。隨個諧振動的頻率一樣，那么李薩如圖形就很簡單。隨著兩個振動的相位差從著兩個振動的相位差從0變化，圖形從斜率為變化，圖形從斜率為正的直線變?yōu)闄E圓再變到斜率為負的直線。選擇判正的直線變?yōu)闄E圓再變到斜率為負的直線。選擇判斷比較靈敏的亦即李薩如圖形為直線的位置作為測斷比較靈敏的亦即李薩如圖形為直線的位置作為測量的起點。每挪動一個波長的間隔就會反復出現(xiàn)同量的起點。每挪動一個波長的間隔就會反復出現(xiàn)同樣斜率。樣斜率。用李薩如圖形觀測相位的變化 兩個同斜率直線所對應的傳感器間距為一個波長兩個同斜率直線所對應的傳感器間距為一個波長 。 24434547223012四、實驗儀器 本實驗運用的儀器主要有

20、：聲速丈量儀、 函數(shù)發(fā)生器和示波器。 聲速丈量儀由：超聲壓電陶瓷換能器、帶有標尺的底座和讀數(shù)安裝構(gòu)成，用來作聲壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換，以及波長的丈量。 函數(shù)發(fā)生器用來產(chǎn)生超聲波； 示波器用來察看超聲波的振幅、相位和頻率。讀數(shù)安裝壓電陶瓷換能器底座底座傳感器及它的內(nèi)部構(gòu)造 傳感器是物理實驗中常用的間接丈量元件。本實驗傳感器是物理實驗中常用的間接丈量元件。本實驗中運用的傳感器是由壓電陶瓷片構(gòu)成的，其中一個是用來中運用的傳感器是由壓電陶瓷片構(gòu)成的，其中一個是用來產(chǎn)活力械振動并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個用來接納產(chǎn)活力械振動并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個用來接納振動，同時電輸出端產(chǎn)生相應的電信號。振動，同

21、時電輸出端產(chǎn)生相應的電信號。 本實驗采用壓電陶瓷超聲換能器來實現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。本實驗采用壓電陶瓷超聲換能器來實現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。壓電換能器做波源具平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時，由壓電換能器做波源具平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時，由于頻率在超聲范圍內(nèi)，普通的音頻對它無干擾。頻率提高，波長于頻率在超聲范圍內(nèi)，普通的音頻對它無干擾。頻率提高，波長就短，就短，在不長的間隔中可測到許多個在不長的間隔中可測到許多個，取其平均值，取其平均值，的測定較準確。這些都的測定較準確。這些都可使實驗的精度大大提高。可使實驗的精度大大提高。 壓電陶瓷超聲換能器由壓電陶瓷片和輕、重兩種

22、金屬組成。壓電壓電陶瓷超聲換能器由壓電陶瓷片和輕、重兩種金屬組成。壓電陶瓷片如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等是由一種多晶構(gòu)造的壓電資料做成的，陶瓷片如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等是由一種多晶構(gòu)造的壓電資料做成的，在一定的溫度下經(jīng)極化處置后，具有壓電效應。在一定的溫度下經(jīng)極化處置后，具有壓電效應。 反之，當與極化方向一致的外加電壓反之，當與極化方向一致的外加電壓U加在壓電資料上時，資加在壓電資料上時，資料的伸縮形變料的伸縮形變S與電壓與電壓U也有線性關(guān)系也有線性關(guān)系S=dU。比例常數(shù)。比例常數(shù)g、d稱為壓稱為壓電常數(shù)，與資料性質(zhì)有關(guān)。由于電常數(shù)，與資料性質(zhì)有關(guān)。由于E、T、S、U之間具有簡單的線性關(guān)之間具有簡單的線性

23、關(guān)系，因此我們就可以將正弦交流電信號轉(zhuǎn)變成壓電資料縱向長度的伸系，因此我們就可以將正弦交流電信號轉(zhuǎn)變成壓電資料縱向長度的伸縮，成為聲波的波源，同樣也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，用縮，成為聲波的波源，同樣也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，用來接納聲信號。來接納聲信號。 在簡單情況下，壓電資料遭到與極化方向一致的應力在簡單情況下，壓電資料遭到與極化方向一致的應力T時，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場強度時，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場強度E，它們之，它們之間有一簡單的線性關(guān)系間有一簡單的線性關(guān)系E=gT； 在壓電陶瓷片的頭尾兩端膠粘兩塊金屬，組成在壓電陶瓷片的頭尾兩端膠粘兩塊金屬，組成夾心型振子。頭部

24、用輕金屬做成喇叭型，尾部用重金夾心型振子。頭部用輕金屬做成喇叭型，尾部用重金屬做成錐型或柱型，中部為壓電陶瓷圓環(huán)，緊固螺釘屬做成錐型或柱型，中部為壓電陶瓷圓環(huán)，緊固螺釘穿過環(huán)中心。這種構(gòu)造增大了輻射面積，加強了振子穿過環(huán)中心。這種構(gòu)造增大了輻射面積，加強了振子與介質(zhì)的耦協(xié)作用，由于振子是以縱向長度的伸縮直與介質(zhì)的耦協(xié)作用，由于振子是以縱向長度的伸縮直接接 影響頭部輕金屬作同樣的縱向長度伸縮對尾部重影響頭部輕金屬作同樣的縱向長度伸縮對尾部重金屬作用小，這樣所發(fā)射的波方向性強，平面性好。金屬作用小，這樣所發(fā)射的波方向性強，平面性好。 傳感器內(nèi)部構(gòu)造 壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外殼開關(guān)顯示屏顯示屏第二通道第一通道一通道放大、一通道放大、衰減器衰減器二通道放大、二通道放大、衰減器衰減器時基掃描時基掃描 聚焦輝度頻率調(diào)理頻率范圍選擇信號輸出函數(shù)選擇開關(guān)信號發(fā)生器五、實驗內(nèi)容五、實驗內(nèi)容2、利用共振駐波法丈量聲速、利用共振駐波法丈量聲速3、利用行波法丈量聲速、利用行波法丈量聲速4、利用李薩如圖法丈量聲速、利用李薩如圖法丈量聲速1、諧振頻率的調(diào)整、諧振頻率的調(diào)整1 1、諧振頻率的調(diào)整、諧振頻率的調(diào)整改動信號發(fā)生器的頻率時，看到改動信號發(fā)生器的頻率時，看到2 2、利用共振駐波法丈量聲速、利用共振駐波法丈量聲速 將換能器的接納端接入示波器