大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)：超聲聲速測定

1、超聲聲速測定聲波特性的測量，如頻率、波長、聲速、聲壓衰減、相位等，是聲波檢測技 術(shù)中的重要內(nèi)容。特別是聲速的測量，不僅可以了解媒質(zhì)的特性而且還可以了解 媒質(zhì)的狀態(tài)變化，在聲波定位、探傷、測距等應(yīng)用中具有重要的實(shí)用意義。例如, 聲波測井、聲波測量氣體或液體的濃度和比重、 聲波測量輸油管中不同油品的分 界面等等?！奥曀俚臏y量”是一個(gè)綜合性聲學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用壓電陶瓷超聲換能器通 過駐波法（共振干涉法）和相位比較法測量超聲波在空氣中的傳播速度，這是一個(gè)非電量電測方法的應(yīng)用。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以重點(diǎn)學(xué)習(xí)如下內(nèi)容：（1）實(shí)驗(yàn)方法：非電量的電測方法；測量聲速的駐波法和相位比較法。（2）測量方法：利用示波器測量

2、電信號(hào)的極大值和觀察李薩如圖形測量相位差的方法。（3）數(shù)據(jù)處理方法：求聲波波長的逐差法。（4）儀器調(diào)整使用方法：雙蹤示波器和函數(shù) 信號(hào)發(fā)生器的正確調(diào)節(jié)和使用方法。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? .學(xué)習(xí)用駐波共振法和相位比較法測量超聲波在空氣中的傳播速度。2 .了解壓電換能器的功能。3 .學(xué)習(xí)用逐差法處理數(shù)據(jù)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】SVX-5型聲速測試儀信號(hào)源、SV-DH系列聲速測試儀、雙蹤示波器等【實(shí)驗(yàn)原理】頻率介于20Hz20kHz的機(jī)械波振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播就形成聲波，介于20kHz500MHz勺稱為超聲波，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)射和會(huì)聚等優(yōu)點(diǎn)，聲速實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻

3、率一般都 在20KH- 60kHz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。根據(jù)聲波各參量之間的關(guān)系可知f ,其中 為波速，入為波長，f為頻率。圖4-5-1共振法測量聲速實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)中，可以通過測定聲波的波長入和頻率 f求聲速。聲波的頻率f可以 直接從低頻信號(hào)發(fā)生器（信號(hào)源）上讀出，而聲波的波長人則常用相位比較法（行 波法）和共振干涉法（駐波法）來測量。圖4-5-2相位比較法測量聲速實(shí)驗(yàn)裝置1 .相位比較法實(shí)驗(yàn)裝置接線如圖4-5-2所示，置示波器功能于 X Y方式。當(dāng)S1發(fā)出的平面超聲波通過媒質(zhì)到達(dá)接收器 S2,合成振動(dòng)方程為:2xyA12AA1A2cos

4、( 22 /、i) sin ( 21)在發(fā)射波和接收波之間產(chǎn)生相位差：x212見圖3,隨著振動(dòng)的相位差從 0 的變化，李薩如圖形從斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再變到斜率為負(fù)的直線。 因此，每移動(dòng)半個(gè)波長， 就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)斜率符號(hào)相反的直線，測得了波3 0 圖4-5-3合成振動(dòng)長 和頻率f ,根據(jù)式 f即可計(jì)算出聲音傳播的速度。改變 S1和S2之間的距離L, 相當(dāng)于改變了發(fā)射波和接收波之間的相位差，熒光屏上的圖形也隨 L不斷變化。顯然，當(dāng) S1、S2之間距離改變半個(gè)波長 L /2,則 =。2 .共振干涉（駐波）法測聲速由聲源S1發(fā)出的聲波（頻率為 f ）,經(jīng)介質(zhì)（空氣）傳播到S2, S2在接收聲波信號(hào)

5、的同時(shí)反射部分聲波信號(hào)。如果接收面（S2）與發(fā)射面（S1）嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與反射波相干涉形成駐波。反射面處是位移的波節(jié)，聲壓的波腹。改變接收器與發(fā)射源之間的距離L,在一系列特定的距離上，空氣中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。此時(shí)L等于半波長的整數(shù)倍，駐波的幅度達(dá)到極大；同時(shí)，在接收面上的聲壓波腹也相應(yīng)地達(dá)到極大值。通過壓電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電信號(hào)的電壓值也最大（示波器顯示波形的幅值最大）。因此，若保持頻率不變，通過測量相鄰兩次接收信號(hào)達(dá)到極大值時(shí)接收面之間的距離AL,即可得到該波的波長入（入=2Ax）,并用f計(jì)算出聲速。3 .壓電陶瓷換能器壓電陶瓷換能器是由壓電陶瓷片和輕重兩種金

6、屬組成。后蓋反射板壓電陶瓷片 輻射頭圖4-5-4縱向換能器的結(jié)構(gòu)壓電陶瓷片是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、錯(cuò)鈦酸鉛陶瓷等），在一定溫度下經(jīng)極化處理制成的。 它具有壓電效應(yīng)，即受到與極化方向一致的應(yīng)力 T時(shí)，在極化方向上產(chǎn) 生一定的電場強(qiáng)度 E且具有線性關(guān)系：E gT,即力一電，稱為 正壓電效應(yīng)；當(dāng)與極化方 向一致的外加電壓 U加在壓電材料上時(shí)，材料的伸縮形變S與U之間有簡單的線性關(guān)系：S d U ,即電一力，稱為 逆壓電效應(yīng)。其中g(shù)為比例系數(shù)，d為壓電常數(shù)，與材料的性質(zhì) 有關(guān)。由于E與T, S與U之間有簡單的線性關(guān)系，因此我們就可以將正弦交流電信號(hào)變 成壓電材料縱向的長度伸縮，使壓電陶瓷片

7、成為超聲波的波源。即壓電換能器可以把電能轉(zhuǎn)換為聲能作為超聲波發(fā)生器，反過來也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，即用壓電陶瓷片作為聲頻信號(hào)接收器。因此，壓電換能器可以把電能轉(zhuǎn)換為聲能作為聲波發(fā)生器，也可把聲能轉(zhuǎn)換為電能作為聲波接收器之用。壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，可分為縱向（振動(dòng)）換能器、徑向（振動(dòng)）換能器及彎曲振動(dòng)換能器。圖4-5-4所示為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1 .聲速測試儀系統(tǒng)的連接與調(diào)試接通電源，信號(hào)源自動(dòng)工作在連續(xù)波方式，選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)，預(yù)熱15min。聲速測試儀和聲速測試儀信號(hào)源及雙蹤示波器之間的連接如圖1)按圖4-5-1所示連接好電路；1）測試架上的

8、換能器與聲速測試儀信號(hào)源之間的連接信號(hào)源面板上的發(fā)射端換能器接口（S1）,用于輸出相應(yīng)頻率的功率信號(hào)，接至測試架左邊的發(fā)射換能器（Si）;儀器面板上的接收端的換能器接口（S2）,請(qǐng)連接測試架右邊的接收換能器（S2）。2）示波器與聲速測試儀信號(hào)源之間的連接信號(hào)源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形 （Yi）,接至雙蹤示波器的 CH1（X）,用于觀察發(fā)射波 形；信號(hào)源面板上的接收端的接收波形 （丫2）,接至雙蹤示波器的 CH2（Y）,用于觀察接 收波形。2 .共振頻率的調(diào)試測量只有當(dāng)換能器Si和及發(fā)射面與接收面保持平行時(shí)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(dòng)信號(hào)頻率調(diào)節(jié)到發(fā)射換能器S諧振

9、頻率點(diǎn)處，才能較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，提高測量精度，以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。超聲換能器工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)方法如下：各儀器都正常工作以后，首先調(diào)節(jié)聲速測試儀信號(hào)源輸出電壓（100mV500mV之間），調(diào)節(jié)信號(hào)頻率（在 2545kHz）,觀察頻率調(diào)整時(shí)接收 波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（34.537.5kHz之間）電壓幅度最大，同時(shí)聲速測試儀信號(hào)源的信號(hào)指示燈亮，此頻率即是壓電換能器S、&相匹配的頻率點(diǎn)，記錄頻率a ,改變Si和S2之間的距離，適當(dāng)選才i位置（即：至示波器屏上呈現(xiàn)出最大電壓波形幅度時(shí)的位置）,再微調(diào)信號(hào)頻率，如此重復(fù)調(diào)整，再次測定工作頻率，共測 5次，取平均值一0。3

10、 .用相位比較法（李薩如圖形）測量波長1）將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，連好線路，把聲速測試儀信號(hào)源調(diào)到最佳工作頻率f。2）調(diào)節(jié)示波器：把“掃描時(shí)間”旋扭旋至“ X-Y”方式；3）移動(dòng)依次記下示波器上波形由圖3中（a）變?yōu)?圖4-5-3中（e）時(shí)，讀數(shù)標(biāo)尺位置的讀數(shù)L1、L2共10個(gè)值；4）記下室溫t ;5）用逐差法處理數(shù)據(jù)。4 .干涉法（駐波法）測量波長2) 將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，把聲速測試儀信號(hào)源調(diào)到共振工作頻率(根據(jù)共振特點(diǎn)觀察波幅變化進(jìn)行調(diào)節(jié))。3) 在共振頻率下，將 S2移近Si處，依次記下各振幅最大時(shí)的讀數(shù)標(biāo)尺位置Li、L2 共10個(gè)值；4) 記下室溫t ;5) 用逐差法處理數(shù)

11、據(jù)?！緮?shù)據(jù)記錄及處理5 .駐波法t=0cvo=331.45m/sf = Hz波幅最大位置l i (mm)l 1l 2l 3l4l 5波幅最大位置l i+5 (mm)l 6l 7l 8l 9l 10li li 5 li(mm)2f0 V0：1t273.15550E100%02.相位法t=_ocV0 331.45m/sf =一Hz相位變化為 位置l 1l 2l 3l4l 5l i (mm)相位變化為 位置l 6l 7l 8l 9l 10l i+5 (mm)li li 5 li(mm)o vo1 -t,273.150E 100%o【預(yù)習(xí)要求】1、理解駐波法和相位比較法測量聲速的基本原理。2、了解形成

12、駐波和李薩如圖形的基本理論。3、了解函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器的調(diào)整和使用方法。4、理解測量波長的駐波法和相位比較法。5、熟悉實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容。6、列出測量數(shù)據(jù)記錄表?！咀⒁馐马?xiàng)】1、必須仔細(xì)閱讀教材中各儀器說明書，熟悉各個(gè)旋鈕的功能，方可進(jìn)行調(diào)節(jié)。2、信號(hào)發(fā)射器的信號(hào)輸出幅度不要過大，避免儀器過熱而損壞。3、調(diào)節(jié)儀器旋鈕要輕緩，以免損壞。4、實(shí)驗(yàn)時(shí)要使函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率等于換能器的諧振頻率，并且在實(shí)驗(yàn)過程中保持不變。5、使用游標(biāo)尺測量移動(dòng)距離時(shí)，必須輕而緩慢地調(diào)節(jié)，手勿壓游標(biāo)尺。6、換能器發(fā)射面和接受面要保持相互平行?！舅伎碱}】1、駐波法測量聲速的原理和方法是什么？2、相位比較法測量聲速的原理和方法是什么？3、實(shí)驗(yàn)中信號(hào)發(fā)生器和示波器各起什么作用？4、實(shí)驗(yàn)中通過什么來發(fā)射和接收聲波？5、實(shí)驗(yàn)中為什么