超聲波測量液體濃度專題實驗報告

超聲波測量液體濃度

設(shè)計實驗報告超聲波測量液體濃度設(shè)計實驗一、實驗任務(wù):溶液中聲波的傳播速度與溶劑的濃度有密切的關(guān)系，試設(shè)計一種超聲波聲速的測量方法，定量研究聲速與濃度的關(guān)系（變化曲線），最后能夠測量出未知溶液的濃度，精度不低于5%。二、實驗要求：1、 參閱相關(guān)資料，了解超聲波換能器的種類，特別是壓電式超聲波換能器的工作原理。2、 比較脈沖反射法測量聲速和連續(xù)波法測量聲速的特點。3、 設(shè)計連續(xù)波測量液體聲速的實驗方案。4、 制作氯化鈉溶液濃度與聲速的變化曲線。三、實驗原理：1、物理模型——機(jī)械波的產(chǎn)生：首先要有作機(jī)械振動的物體（波源），其次要有能夠傳播這種機(jī)械振動的介質(zhì)，只有通過介質(zhì)質(zhì)點間的相互作用，才能夠使機(jī)械振動由近及遠(yuǎn)地在介質(zhì)中向外傳播。發(fā)生器是波源，液體是傳播聲波的介質(zhì)。故聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械縱波。聲速是聲波在介質(zhì)中的傳播速度。如果聲波在時間t內(nèi)傳播的距s離為s，則聲速為V二-，由于聲波在時間T（周期）內(nèi)傳播的距離為九（波長）,t則V二-=2f，可見，只要測出頻率和波長，便可以求出聲速V。本實驗使用交流電信號控制發(fā)生器，故聲波頻率f即電信號的頻率，它可用頻率計測量或信號2、超聲波換能器:b-探傷原理示意圖&-TR探頭聲場分布發(fā)生器直接顯示，而波長2、超聲波換能器:b-探傷原理示意圖&-TR探頭聲場分布⑴壓電式換能器工作原理:用做超聲波換能器的壓電陶瓷被加工成平面狀,并在正反兩面

分別鍍上銀層作為電極，稱為壓電晶片。當(dāng)給壓電晶片兩級施加一個電壓短脈沖時，由于逆壓電效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩，振蕩頻率與晶片的聲速和厚度有關(guān)，適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波，即超聲波。在晶片振蕩過程中，由于能量的減少，其振幅也逐漸減小，通常稱為脈沖波。超聲波被同一壓電換能器接收，由于正壓電效應(yīng)，振蕩的晶片在兩極產(chǎn)生振蕩的電壓，電壓放大后可以用示波器顯示。⑵換能器的種類：縱波波型、橫波波型、表面波波型。四、實驗方案：方案一：極值法(即駐波共振法)1、實驗方法：聲源產(chǎn)生的一定頻率的平面聲波，經(jīng)過空氣介質(zhì)的傳播，到達(dá)接收器。聲波在發(fā)射面和接受面之間被多次反射，故聲場是往返聲波多次疊加的結(jié)果，入射波和反射波相干涉而形成駐波。在發(fā)射面和接受面之間某點的合振動方程為2兀y=y+y=2Acos( x)cos(et)12-最大振幅(2A)處被稱為駐波的“波腹點”最小振幅(0A)處被稱為“波節(jié)點”TOC\o"1-5"\h\z2冗 a波腹點位置：|A(x)=2A，即x=k兀，x=k(k=0,1,2,.....)入 22兀 JT a\o"CurrentDocument"波節(jié)點位置：|A(x)|=0,即卩—x=(2k+1)，x=(2k+1)-(k=0,1,2,.?…)入 2 4可知，相鄰兩個波腹點(或波節(jié)點)的距離為-，當(dāng)發(fā)射面和接受面之間2的距離正好是半波長的整數(shù)倍時，即形成穩(wěn)定的駐波，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。L=k-(k=0,1,2,3共振時，駐波的幅度達(dá)到極大，同時，接受器表面的振動位移應(yīng)為零，即為波節(jié)點，但由于聲波是縱波，所以聲壓達(dá)到極大值。理論計算表明，若改變發(fā)射器和接收器之間的距離，在一系列特定的距離上，介質(zhì)將出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。若保持聲源頻

率不變，移動發(fā)射源，依次測出接受信號極大的位置L,L,L,L1 2 3 4,AL=L-L=-則可以求出聲波的波長九，進(jìn)一步計算出聲速v。k+1 k22、實驗儀器：⑴信號發(fā)生器：（量程：lOOKHz?2MHz 儀器誤差：Af=fx0.05%Hz）⑵示波器：（量程：⑶聲速測量儀：（量程:3、誤差公式推導(dǎo)：儀器誤差： ）⑵示波器：（量程：⑶聲速測量儀：（量程:3、誤差公式推導(dǎo)：儀器誤差： ）儀器誤差：0.02mm）/x0.5%4、實驗步驟:⑴實驗裝置連接:容柵數(shù)顯尺容柵數(shù)顯尺⑵實驗步驟：調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出正弦信號的頻率，達(dá)到與換能器諧振。在共振條件下，將S2移近S1,在緩慢移開S2,當(dāng)示波器上出現(xiàn)振幅最大時，幾下S2的位置L0。根據(jù)實驗時給出的壓電晶體的振動頻率f,將信號發(fā)生器的輸出頻率調(diào)至f附近，調(diào)節(jié)Sl、S2間距約5cm，緩慢移動S2,增大二者間距。當(dāng)示波器首

次出現(xiàn)振幅最大時，固定S2,再仔細(xì)微調(diào)信號發(fā)生器的輸出頻率，使銀光評上圖形振幅達(dá)到最大，讀出共振頻率f。由近及遠(yuǎn)移動S2，逐次記下各振幅極值點的位置LI、L2、L3……L12,過程中保持頻率不變。5、 實驗數(shù)據(jù)：(見附錄表格)6、 注意事項：(見注意事項總述)方案二：相位比較法1、實驗方法：由聲波的波源(簡稱聲源)發(fā)出的具有固定頻率/的聲波在空間形成一個聲場，聲場中任一點的振動相位與聲源的振動相位之差A(yù)申為：A 2兀L2nfLA— =—九v在示波器上可觀測到發(fā)射波與接受波信號的垂直振動合成的李薩如圖形。若發(fā)射波合接受波的信號為：x二Acos@t+p)TOC\o"1-5"\h\z< i iy二Acosgt+p)， 2 2X2 X2 y2+-A2 A2122Xycos?p）二sin2（pp）AA2-1 2-112當(dāng)Ap二pp二0時，示波器上合振動軌跡為處于第一、第三象限的直線段;2-1當(dāng)Ap=pp二—時，示波器上合振動軌跡為一正橢圓；當(dāng)Ap=pp二兀時，合2-122-1振動軌跡為處于第二、第四象限的直線段。三種情況下的利薩如圖形分別如圖1所示。一般情況下為一斜橢圓。隨著相位差從0變到兀時，利薩如圖形會依次按如下變化：一、三象限直線段T斜橢圓T正橢圓T斜橢圓T二、四象限直線段。若在距離聲源L處的某點振動與聲源的振動反相，則Ap為兀的奇數(shù)倍:11Ap1=(2k+1)兀(k=0,1,2,)若在距離聲源L處的某點振動與聲源的振動同相，則Ap為兀的偶數(shù)倍:22

A92A92=2k兀2nL2x2(k=0,1,2,…)相鄰的同相點與反相點之間的相位差為:A*=A* —A* =冗相鄰的同相點與反相點之間的距離為：AL=L—L=—212將接收器由聲源處開始慢慢移開，隨著距離為X,X,3X,2X,...，可探測到一系22列與聲源反相或同相的點，由此可求波長X。Y'.X丫八(a)⑹ (C) (d)Y'.X丫八(a)⑹ (C) (d)圖f:f=1:1的利薩如圖形(b(b)*2-*i=y(C)*2-*1"(d)*2—*1=A*的測定可以用示波器觀察利薩如圖形的方法進(jìn)行。將發(fā)射器和接收器的信號，分別輸入示波器的X軸和丫軸，則熒光屏上亮點的運動是兩個相互垂直的諧振動的合成，當(dāng)丫方向的振動頻率與X方向的振動頻率比即f:f為整數(shù)時，合yx成運動的軌跡是一個穩(wěn)定的封閉圖形，稱為利薩如圖形。利薩如圖形與振動頻率之間的關(guān)系如圖所示。由圖1可知，隨著相位差的改變將看到不同的橢圓，而在各個同相點和反相點看到的則是直線。2、 實驗儀器：（同方案一）3、 誤差公式推導(dǎo)：（同方案一）4、 實驗步驟：⑴實驗裝置連接：（同方案一）⑵實驗步驟：調(diào)節(jié)實驗裝置和儀器，將輸入信號同時接入示波器的x輸入端，將接收信號電壓接到示波器的y輸入端，示波器選擇x-y工作方式，得到利薩如圖形。改變S2的位置，從找到第一個斜線形利薩如圖形開始測量，記錄S2的位置坐標(biāo)。連續(xù)移動S2,每次得到相同的斜線形利薩如圖形時，測量對應(yīng)的S2的位置坐標(biāo)并記錄，同時記錄所對應(yīng)的信號頻率f。5、 實驗數(shù)據(jù)：（見附錄表格）6、 注意事項：（見注意事項總述）方案三：時差法1、 實驗方法：它是將脈沖調(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(dá)距離處的接收換能器，經(jīng)信號源內(nèi)部線路分析、比較處理后輸出脈沖信號在SI、S2之間的傳播時間t,傳播距離L可以從游標(biāo)卡尺上讀出，所以可以用速度時間公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。2、 實驗儀器：（同方案一）3、 誤差公式推導(dǎo)：（同方案一）4、 實驗步驟：⑴實驗裝置連接：（同方案一）⑵實驗步驟：將測試方法設(shè)置到脈沖波方式，按圖9-4（b）所示連好線。將S1和S2之間的距離調(diào)到一定距離（N50mm）,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400mV左右（峰一峰值），以使計時器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值L1、t1（時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出）。移動S2,同時調(diào)節(jié)接收增益，使接收波信號幅度始終保持一致。每隔10.00mm記錄下顯示的時間值L、t共10個點。5、 實驗數(shù)據(jù)：（見附錄表格）6、 注意事項：（見注意事項總述）五、注意事項總述（方案一、二、三）1、 聲波發(fā)射器和聲波接收器的兩個端面盡量調(diào)平行。2、 注意電路的正負(fù)極要接正確。3、 若信號源的輸出頻率不穩(wěn)定，可取其平均值。輸出電壓有效值3伏。4、 測量時應(yīng)調(diào)節(jié)螺桿使S2移動，請避免空回誤差。5、 當(dāng)使用液體為介質(zhì)測聲速時，應(yīng)避免液體接觸到其他金屬件和容柵數(shù)顯尺上，以免損壞儀器。6、 使用時，應(yīng)避免信號源的信號輸出端短路。7、 用時差法測量時，S1和S2之間的距離要約大于10cm開始測量。8、 在儲液槽中注入液體時，要直至將換能器完全浸沒，但不能超過液面線。同時，不能將液體淋在數(shù)字顯示表頭上。9、 將專用信號源上的“聲速傳播介質(zhì)”置于“液體”位置，換能器的連接端應(yīng)在接線盒上的“液體”專用插座上。六、相關(guān)測量液體濃度方法簡介1、 波美計法：波美計法測定的是溶液的密度，再通過密度與濃度的關(guān)系來確定溶液的濃度。根據(jù)測得的比重，查表換算濃度?，F(xiàn)在對不同溶液的波美表都是專用的，如酒精波美表、鹽水波美表等。換算公式為：對于比水重的：比重=144.3/（144.3-波美度）對于比水輕的：比重=144.3/（144.3+波美度）2、 比重瓶法：首先用水測定比重瓶的容積，將比重瓶干燥后稱重，按照標(biāo)準(zhǔn)操作將比重瓶裝滿水，稱重，兩次重量差除以測定時溫度下的水密度得到瓶容積，然后將需測定比重的溶液按標(biāo)準(zhǔn)操作裝滿比重瓶中，稱重，減去空比重瓶的重量，除以之前測定的容積得到溶液的比重。（注意：稱重所用電子天平精度需要小數(shù)點后三位以上，比重瓶如果已經(jīng)標(biāo)定就不需要再稱水，直接稱待測溶液就可以了；單標(biāo)移液管也需要標(biāo)定。）3、 超聲光柵法：根據(jù)超聲波在液體中傳播時，其聲壓使液體分子產(chǎn)生周期性的變化，促使液體的折射率也相應(yīng)的做周期性的變化，形成疏密波。此時，如有平行單色光沿垂直于超聲波方向通過這疏密相同的液體時，就會被衍射。利用這一性質(zhì)可以測量不同濃度的酒精下的同一種衍射條紋之間的距離，從而計算出在相應(yīng)的濃度下的超聲波在液體中的傳播速度。七、參考文獻(xiàn)1、 《大學(xué)物理實驗》，北京交通大學(xué)出版社，2010,牛原、張斌、趙紅娥2、 《大學(xué)物理實驗》，人民郵電出版社，2009，孫彬，李延強(qiáng)3、 《超聲波聲速測量實驗中的誤差分析》，電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，2005年10月，陳中鈞1）《用超聲光柵儀測量液體濃度》，2007