SV聲速測定實驗講義

1、空氣介質(zhì)的聲速測量（SV3型聲速測定儀）實驗講義杭州精科儀器有限公司空氣介質(zhì)的聲速測量聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機械波，頻率低于的聲波稱為次聲波；頻率在的聲波可以被人聽到，稱為可聞聲波；頻率在以上的聲波稱為超聲波。超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)因素有關(guān)。因而通過媒質(zhì)中聲速的測定，可以了解媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化。有些問題都可以通過測定物質(zhì)中的聲速來解決?？梢姡曀贉y定在工業(yè)生產(chǎn)上具有一定的實用意義。【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、相位比較法測定超聲波的傳播速度?！緦嶒炘怼吭诓▌舆^程中波速、波長和頻率之間存在著下列關(guān)系

2、：，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(guān)系： ，只要測出和就可測出聲波傳播的速度，這就是時差法測量聲速的原理。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

3、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，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，緩慢的改變和之間的距

4、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

5、振動為一斜率為負的直線，當為其它值時，合成振動為橢圓（如圖2）?！緦嶒瀮x器】實驗儀器采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的型聲速測定儀及型聲速測定專用信號源各一臺。其外形結(jié)構(gòu)見圖3。圖3測試支架由讀數(shù)刻度尺、壓電換能器傳動機構(gòu)等組成。作為發(fā)射超聲波用的換能器 固定在支架的左邊，另一只接收換能器裝在可移動螺旋絲桿位移裝置上。換能器的相對位移由刻度尺讀取 。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；實驗時實驗室需自備示波器一臺.【實驗內(nèi)容】一聲速測量系統(tǒng)的連接:聲速測量儀、專用信號源、示波器之間，連接方法見圖。 圖4二諧振頻率的調(diào)節(jié):

6、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先將專用信號源的“發(fā)射波形”端接至示波器的，調(diào)節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號，觀察完畢拆除接線；2專用信號源的上“發(fā)射輸出” 端接至發(fā)射換能器，調(diào)節(jié)信號源輸出幅度，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，仔細觀察示波器屏幕上接收波的電壓幅度變化，當信號源的輸出在某一頻率點處（之間，因不同的換能器或介質(zhì)而異）示波器顯示的電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器、相匹配頻率點，記錄此頻率

7、 。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。三共振干涉法、相位法測量聲速:1共振干涉法（駐波法）測量波長：按圖4進行連線，先確定最佳工作頻率。觀察示波器，找到接收波形的最大值，在刻度尺上讀出此時的位置 并記錄。然后，向著同方向移動接收換能器，這時波形的幅度會發(fā)生變化（同時在示波器上可以觀察到來自接收換能器的振動曲線波形發(fā)生相移），逐個記下振幅最大時的，共個點，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 。2相位比較法（李薩如圖法）測量波長：按圖5所示連接方式。確定最佳工作頻率，“發(fā)射波形”接到雙蹤示波器

8、“”端；接收換能器輸出接到“”，功能轉(zhuǎn)換到“” 顯示方式，適當調(diào)節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。移動，觀察波形為一定角度的斜線，記下的位置，再向前或者向后（必須圖5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?！緮?shù)據(jù)處理】1自擬表格記錄所有的實驗數(shù)據(jù)，表格要便于用逐差法求相應位置的差值和計算。2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。3按理論值公

9、式 ，算出理論值 。式中為時的聲速，。 4計算出通過二種方法測量的以及值，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?？蓪憺樵谑覝貫?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 ，= 【思考題】1聲速測量中共振干涉法、相位法有何異同？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)？3為什么發(fā)射換能器的發(fā)射面與接收換能器的接收面要保持互相平行？ 4聲音在不同介質(zhì)中傳播有何區(qū)別？聲速為什么會不同？【附錄一】超聲波的發(fā)射與接收壓電換能器壓電陶瓷超聲換能器能實現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。壓電換能器做波源具有平面性、單色性好以及方向性強的

10、特點。同時，由于頻率在超聲范圍內(nèi)，一般的音頻對它沒有干擾。頻率提高，波長就短，在不長的距離中可測到許多個，取其平均值，的測定就比較準確。這些都可使實驗的精度大大提高。壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。壓電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）是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料做成，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后，具有壓電效應。在簡單情況下，壓電材料受到與極化方向一致的應力時，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場強度，它們之間有一簡單的線性關(guān)系；反之，當與極化方向一致的外加電壓加在壓電材料上時，材料的伸縮形變與電壓也有線性關(guān)系。比例常數(shù)，稱為壓電常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)。由于之間具有簡單的

11、線性關(guān)系，因此我們可以將正弦交流電信號轉(zhuǎn)變成壓電材料縱向長度的伸縮，成為聲波的聲源，同樣也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，用來接收聲信號。在壓電陶瓷片的頭尾兩端膠粘兩塊金屬，組成夾心形振子。頭部用輕金屬做成喇叭型，尾部用重金屬做成柱型，中部為壓電陶瓷圓環(huán)，緊固螺釘穿過環(huán)中心。這種結(jié)構(gòu)增大了幅射面積，增強了振子與介質(zhì)的耦合作用，由于振子是以縱向長度的伸縮直接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?。@樣所發(fā)射的波方向性強，平面性好。壓電換能器諧振頻率，功率不小于?！靖戒浂?不同介質(zhì)聲速傳播測量參數(shù)（供參考）一空氣介質(zhì)：標準大氣壓下傳播介質(zhì)空氣 : 二液體介質(zhì)：1淡水 2甘油 3

12、變壓器油 4蓖麻油 三固體介質(zhì)：1有機玻璃 2尼龍 3聚胺脂 4黃銅 5金 6銀 注：固體材料由于其材質(zhì)、密度、測試的方法各有差異，故聲速測量參數(shù)僅供參考。【附錄三】 SV3型聲速測定儀使用說明書一概述： 本儀器可用駐波法(干涉法)或相位法(行波法)對聲波在空氣中的傳播速度進行定量的測定。儀器內(nèi)聲波的發(fā)射與接收均采用超聲壓電換能系統(tǒng),符合教學大綱對實驗的要求。嚴格的說,儀器發(fā)射的聲波屬于次超聲中的特定頻率,即在的范圍內(nèi)。由于壓電換能系統(tǒng)的工作頻帶在幾千赫的范圍內(nèi)所以本儀器不適于對任意波長的聲波在空氣中的傳播速度進行測定。本儀器在使用時配用專用信號源及一般通用示波器即可進行實驗。上述示波器一般實

13、驗室均有配備。二結(jié)構(gòu)：儀器由底座、螺旋平行移動機構(gòu)及兩只超聲壓電換能器組成（見圖1）。兩只換能器的相對位置距離的變化量可搖動螺旋移動機構(gòu)的手柄，通過標尺指示，即可直接讀出。三主要技術(shù)指標：1. 超聲壓電換能器：諧振頻率：諧振點阻抗：最大發(fā)射功率：2. 有效測定距離：3. 讀數(shù)精度：(讀數(shù)鼓輪的最小刻度)4. 實驗結(jié)果與理論值相對誤差：四.使用：儀器使用前應按示意圖與配用儀器聯(lián)接好，注意使所有儀器均良好接地，以免外界雜散電場引起測定誤差。1. 應用本儀器測定空氣中的聲速可分別采取駐波法（干涉法）或者相位法（行波法）進行，現(xiàn)分述如下：(1) 駐波法：由聲波傳播理論可知，當兩只換能器平衡端面間有聲波

14、傳播而此兩換能器平面端面間的距離又恰好等于其聲波二分之一波長的整數(shù)倍時，兩平面端面間將形成聲波駐波。在聲波駐波中，波腹處聲壓最小、波節(jié)處聲壓最大。接收換能器的反射界面處為波節(jié)，聲壓應最大。所以可從接收換能器端面聲壓的變化，亦即是接收換能器輸出電壓的變化來判斷聲波駐波是否形成。搖動手柄，改變兩只換能器端面間的距離，并同時監(jiān)測接收換能器輸出電壓幅度的變化，記錄不相鄰兩次出現(xiàn)最大電壓數(shù)值時標尺的讀數(shù)，則兩讀數(shù)之差的絕對值應等于其聲波波長的二分之一。聲波頻率由頻率計從發(fā)射換能器的激勵電壓信號測出，這樣根據(jù)公式：就可算出聲波在空氣中的傳播速度。為提高測量精度應充分應用整個標尺行程，盡可能多的取得產(chǎn)生駐波

15、時的標尺讀數(shù)，然后將所得的數(shù)據(jù)進行逐差法處理，這樣對波長的測定能更為準確。具體步驟如下： 兩只換能器的輸入和輸出插口，用專用連接線接上相關(guān)儀器。 搖動手柄，使兩只換能器端面靠近，但不可接觸，否則會改變發(fā)射換能器諧振頻率。 增加信號源輸出正弦電壓的幅度，同時觀察和調(diào)整好接收端監(jiān)測的示波器，當有接收輸出電壓指示后，仔細調(diào)整信號發(fā)生器的輸出信號頻率，使發(fā)射換能器處于諧振狀態(tài)。注意：信號源輸出電壓不宜超出這是因為：第一，換能器輸出功率與激勵電壓具有非線性關(guān)系，電壓高輸出不一定大，而且還可能減小，換能器輸出功率的大小，決定于電阻抗和機械阻抗是否良好匹配，（電諧振和機械諧振的配合）。（電壓值均指有效值）。

16、 搖動手柄，逐漸加大兩只壓電換能器端面間的距離，同時監(jiān)測接收輸出指示，當每出現(xiàn)一次最大數(shù)值時，讀取并記錄標尺指示數(shù)。為準確得到接收聲壓最強的位置，應仔細調(diào)整接收換能器位置。 按實驗要求測出所需數(shù)據(jù)個數(shù)，進行處理后，計算出聲波在空氣中的傳播速度。(2) 相位法：聲波波源和接收點存在著相位差，而這相位差則可以通過比較接收換能器輸出的電位號與發(fā)射換能器輸入的激勵電信號的相位關(guān)系中得出。當接收點的波源的距離變化等于一個波長時，則接收點和波源的相位差也正好變化一個周期（即）即可得出其對應聲波的波長，再根據(jù)已知聲波的頻率，即可求出聲波在空氣中的傳播速度。具體實施步驟如下： 按示意圖接線，把通道轉(zhuǎn)換為通道的

17、功能。接收換能器輸出電壓信號引入示波器軸。注意調(diào)節(jié)信號源輸出幅度旋鈕，把發(fā)射信號直接連接到示波器的,適當調(diào)節(jié)示波器的增益旋紐，使示波器熒光屏上的李沙育圖形能便于觀察，可以按駐波法實驗步驟調(diào)整，使發(fā)射換能器諧振。 為了準確判斷相位關(guān)系，將接收換能器調(diào)整到相位差為或的位置。讀數(shù)并記錄。示波器熒光屏上具有不同相位差的輸入構(gòu)成的李薩如圖如圖三所示。 按要求測出所需數(shù)據(jù)個數(shù)，用逐差法進行處理后，計算出聲波在空氣中的傳播速度。五實驗范例：實驗項目1：用駐波法測定聲波在空氣中的傳播速度數(shù)據(jù)記錄表輸入電壓輸入頻率環(huán)境溫度測量次數(shù)1-45-89-12形成駐波時標尺讀數(shù)25.2643.0860.9129.7247

18、.5463.3634.1751.9969.8238.6356.4574.28實驗儀器：型超聲聲速測定儀1臺，型專用信號源1臺 ，雙蹤示波器1臺平均值，實驗值： 相對誤差: 實驗項目2：用相位法測定聲波在空氣中的傳播速度輸入電壓輸入頻率環(huán)境溫度 標尺讀數(shù)標尺讀數(shù)標尺讀數(shù)029.8447.6865.5234.3052.1469.9838.7656.6074.4443.2261.0678.90數(shù)據(jù)記錄表實驗儀器：型聲速測定儀1臺,型專用信號源1臺 , 雙蹤示波器1臺平均值，實驗值： 相對誤差:附表: 不同溫度下干燥空氣中的聲速（本表計算公式： ）0331.45010.5337.76020.5343.66330.5349.4651.0332.05011.0337.05821.0343.95531.0349.7531.5332.35911.5338.35521.5344.24731.5350.0402.0332.66112.0338.65222.0344.53932.0350.3282.5332.96312.5338.94922.5344.83032.5350.6143.0333.26513.0339.24623