超聲聲速的測量

超聲聲速的測量一、實驗?zāi)康?.通過實驗了解換能器的原理及工作方式；2.用共振干涉法（駐波法）測量聲速；3.用相位比較法（行波法）測量聲速。二、實驗儀器1、聲速測試儀

(SV-DH-7A)2、綜合聲速測定儀信號源

(SVX-5)3、數(shù)字示波器

(25MHz)

聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機械波，它在不同介質(zhì)中傳播的速度是不同的。聲波可以在固體、液體或是氣體介質(zhì)中傳播，介質(zhì)密度愈大，則聲速愈快。

可聞的聲波頻率為20-20KHz。頻率大于20kHz的機械波為超聲波。超聲波具有方向性好、穿透本領(lǐng)大等特點。本實驗就是利用超聲波來測定空氣中的聲速。三、實驗原理

聲速、聲源振動頻率和波長之間的關(guān)系為

式中為聲速；為頻率；為波長。

頻率的測定：調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出頻率直至換能器諧振，此時超聲波的頻率即為換能器諧振頻率，頻率大小直接可由信號源面板讀出（具體調(diào)節(jié)見實驗內(nèi)容）。﹡補充材料及儀器介紹壓電換能器簡介有些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生形變時，其表面會產(chǎn)生電荷，去掉外力時又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)；具有該效應(yīng)的物質(zhì)為壓電材料；利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的換能器叫做壓電換能器。我們將正弦交流電信號轉(zhuǎn)變成壓電材料縱向長度的伸縮，成為聲波的生源，同樣也使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，用來接收聲信號?/p>

聲波波長的測量方法1.駐波法入射波：反射波：駐波方程：當(dāng)形成駐波共振，任意兩個相鄰的共振態(tài)之間，S2的位移為

L入射波反射波S1S2

如何利用波形來判斷半波長的距離：由縱波性質(zhì)和駐波理論可知，接收面按振動位移來說處于波節(jié)時、按聲壓來說是處于波腹、接收到的聲壓相應(yīng)達到最大值、所接受電信號最強。波形最大，即當(dāng)S2處于半波長整數(shù)倍距離時，示波器所顯示的信號幅度極大，移動接受器S2時、逐漸變小、然后再次變?yōu)闃O大、相鄰二次達到極大值的距離為半波長／2.S2S12、相位比較法（即李薩如圖形法）：置示波器功能于X－Y方式，合成振動方程為：

發(fā)射波和接收波之間相位差：相位差從0～1800

變化，李薩如圖形分別為：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，波形隨L不斷變化。顯然，當(dāng)L改變一個波長，則相位差改變3600。圖形回到原樣。

頻率顯示發(fā)射波形接收波形發(fā)射接收

接收放大發(fā)射強度頻率細調(diào)頻率粗調(diào)脈沖波連續(xù)波空氣液體金屬非金屬儀器結(jié)構(gòu):信號源發(fā)射頭接收頭調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺絲信號接收信號發(fā)射板距離調(diào)節(jié)儀器結(jié)構(gòu):信號測試架實驗內(nèi)容

一、調(diào)節(jié)諧振頻率1.按下圖接好電路。2.打開信號源及示波器電源

3.按auto鍵（下圖藍鍵）：在連續(xù)波強度、接受增益及頻率調(diào)節(jié)都合適的情況下出現(xiàn)一條發(fā)射波形，一條接受波形。

實驗的關(guān)鍵就在于通過觀察波形的變化來調(diào)節(jié)信號發(fā)生器。當(dāng)連續(xù)波強度和接受增益極小時，出現(xiàn)以下波形

4、適當(dāng)調(diào)節(jié)連續(xù)波強度。按AUTO鍵自動調(diào)節(jié)波形，再調(diào)節(jié)接受增益

5、最后調(diào)節(jié)頻率(范圍大概在18~46KHz)。

當(dāng)信號源頻率越接近換能器諧振頻率時(32—40KHZ)，接受信號越強，波形越大。(中間可按AUTO鍵來調(diào)整大小)

在調(diào)節(jié)頻率過程中如信號很強會出現(xiàn)波形失真如圖，可以調(diào)小連續(xù)波強度或接受增益。在頻率達到某一數(shù)值，波形出現(xiàn)最大，繼續(xù)調(diào)高或調(diào)小頻率時都導(dǎo)致波形變小就說明此頻率即為諧振頻率，記錄此時信號發(fā)生器頻率讀數(shù)，至此頻率調(diào)節(jié)結(jié)束。二、共振法測波長。1、打開數(shù)顯游標(biāo)卡尺，單位轉(zhuǎn)成mm。2、轉(zhuǎn)動鼓輪將兩換能器接近至60mm左右。

3、轉(zhuǎn)動鼓輪將S2（接受換能器）緩慢離開S1（發(fā)射換能器），同時觀察接收波形出現(xiàn)振幅極大值，記下此時距離，繼續(xù)移動S2，依次記下各振幅極大時的值，共測量10個數(shù)據(jù)記入數(shù)據(jù)表。

將測試方法設(shè)置到連續(xù)方式。按前面實驗內(nèi)容A的方法，確定最佳工作頻率。觀察示波器，找到接收波形的最大值，記錄幅度為最大時的距離，由數(shù)顯尺上直接讀出或在機械刻度上讀出S2,記下X0

位置。然后，向著同方向轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，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發(fā)生換能器的振動曲線波形相移），逐個記下振幅最大的X1，X2，…，單次測量的波長。用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長。儀器連接

二、相位法測波長將波形調(diào)成李薩如圖形，使用如下，按MENU鍵后選擇時基X-Y模式即可。

將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式。確定最佳工作頻率，單蹤示波器接收波接到“Y1”，發(fā)射波接到“Y2”外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“CH1”，發(fā)射波接到“CH2”，打到“X-Y”顯示方式，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一第1象限到第3象限的斜線，記下上的位置，再向前或者向后（必須是一個方向）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360的相移。依次記下示波器屏上斜率負、正變化的直線出現(xiàn)的對應(yīng)位置X1,X2…，單次波長。多次測定用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長。儀器連接

緩慢轉(zhuǎn)動鼓輪使李薩如圖成一直線，即相位差為的整數(shù)倍，記下此時距離，繼續(xù)移動S2，依次記下出現(xiàn)直線時的值共測量10個數(shù)據(jù)記入數(shù)據(jù)表。

注意：如李薩如圖形出現(xiàn)失真時，可同樣調(diào)節(jié)連續(xù)波強度及接受增益使波形正常。實驗數(shù)據(jù)及處理舉例１．駐波法測量空氣中的聲速1）實驗數(shù)據(jù)接收面位置接收面位置10.01623.2823.279.3124.73727.9323.209.3239.37832.5323.169.26413.97937.1023.139.25518.581041.8323.259.30平均值9.29

3）空氣中