超聲波聲速的測量

超聲波聲速的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)進(jìn)一步熟悉示波器的基本結(jié)構(gòu)和原理。(2)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。(3)學(xué)習(xí)幾種測定聲波傳播速度的原理和方法。(4)通過時差法對聲波傳播速度的測量，了解聲納技術(shù)的原理及其重要的實(shí)用意義。實(shí)驗(yàn)方法原理聲波是一種彈性媒質(zhì)中傳播的縱波，波長、強(qiáng)度、傳播速度等是聲波的重要參數(shù)，超聲波是頻率大于20kH的機(jī)械波，本實(shí)驗(yàn)利用聲速與振動頻率f和波長λ之間的關(guān)系v=λf來測量超聲波在空氣中的傳播速度。SV5型聲速測量組合實(shí)驗(yàn)儀（含專用信號源），可以做時差法測定超聲波傳播速度的實(shí)驗(yàn)；配以示波器可完成利用共振干涉法，雙蹤比較法和相應(yīng)比較法測量聲速的任務(wù)。本聲速測量儀是利用壓電體的逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生超聲波，利用正壓電效應(yīng)接收超聲波，測量聲速的四種實(shí)驗(yàn)方法如下：（由于聲波頻率可通過聲源的振動頻率得出，所以測量聲波波長是本實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)。）（1）李薩如圖形相位判別法頻率相同的李薩如圖形隨著Δφ的不同，其圖形的形狀也不同，當(dāng)形狀為傾斜方向相同的直線兩次出現(xiàn)時，Δφ變化2π，對應(yīng)接受器變化一個波長。（2）共振法由發(fā)射器發(fā)出的平面波經(jīng)接受器發(fā)射和反射器二次反射后，在接受器與發(fā)射器之間形成兩列傳播方向相同的疊加波，觀察示波器上的圖形，兩次加強(qiáng)或減弱的位置差即為波形λ。（3）雙蹤相位比較法直接比較發(fā)信號和接收信號，同時沿傳播方向移動接受器位置，尋找兩個波形相同的狀態(tài)可測出波長。（4）時差法測出脈沖聲速傳播距離X和所經(jīng)歷時間t,便可求得聲速。實(shí)驗(yàn)步驟(1)李薩如圖形相位比較法轉(zhuǎn)動聲速測量組合實(shí)驗(yàn)儀的距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形當(dāng)出現(xiàn)兩次傾斜方向相同的傾斜直線時，記錄這兩次換能器的位置，兩次位置之差為波長。(2)共振法移動聲速測量儀手輪會發(fā)現(xiàn)信號振幅發(fā)生變化，信號變化相鄰兩次極大值或極小值所對應(yīng)的接受器移動的距離即是λ/2 ，移動手輪，觀察波形變化，在不同位置測6次，每次測3個波長的間隔。(3)比較法使雙通道兩路信號雙蹤顯示幅度一樣，移動手法會發(fā)現(xiàn)其中一路在移動，當(dāng)移動信號兩次與固定信號重合時所對應(yīng)的接收器移動的距離是λ，移動手輪，觀察波形變化，多記錄幾次兩路信號重合時的位置，利用逐差法求波長。(4)時差法轉(zhuǎn)動手輪使兩換能器的距離加大，每隔10mm左右記錄一次數(shù)據(jù)xi和ti,根據(jù)公式獲得一系列vi后，可以利用逐差法求得聲速v的平均值υ 。數(shù)據(jù)處理(1)李薩如圖形相位比較法溫度＝20.8℃ 信號發(fā)生器顯示頻率＝37.003kHz接受器位置序號接受器位置坐標(biāo)

055.40

164.53

273.94

383.40

492.65

5101.90/mm接受器位置序號接受器位置坐標(biāo)/mmxj=x+6?xx

6111.3055.909.32

7120.6856.159.36

8129.9556.019.34

9139.2555.859.31

10148.6055.959.33

11158.0656.169.36λi=

i

6

1

5

?3

2λ

λ= Σ =

×9.34 10

λ= =m;v f

3.4561×10 /6j=0(2)共振法

j

m s溫度＝20.8℃ 信號發(fā)生器顯示頻率＝37.012kHz次數(shù)123456

1

接受器記錄48.2076.28104.40132.41160.59188.696

被測數(shù)76.28104.40132.41160.59188.69216.72

被測λ數(shù)n333333

x=a1?a228.0828.1228.0128.1828.1028.03

/mm λ=x/n /mm λ9.369.379.349.36×10-39.399.379.34其中

λ = Σλi=6i=1

×9.36 10

?3

m；v

= λ =3.4649×102/v f m s(3)比較法溫度＝20.8℃ 信號發(fā)生器顯示頻率＝37.015kHz接受器位置序號 0 1 2

3

4

5接受器位置坐標(biāo) 57.65接受器位置序號 6接受器位置坐標(biāo) 114.06/mm

67.047123.50

76.388132.77

86.759142.26

95.1210151.58

104.5911161.09xj=xi+6?xi

56.41

56.46

56.39

55.51

56.46

56.501

5λj6jj=Σλ=0(4)時差法

9.40

9.41

9.40

9.25

9.41

9.42溫度＝20.8℃ 信號發(fā)生器顯示頻率＝37.032kHz接收器位置序號i 0 1 2

3

4

5接收器位置坐標(biāo)xi/mm 56.85 66.80

76.80

86.80

96.80

106.80脈沖傳播時間ti/us接收器位置序號i

3476

3777

4078

4349

46510

49111接收器位置坐標(biāo)xi/mm 116.80 126.80

136.80

146.80

156.80

166.80脈沖傳播時間ti/us+ ? ?xixi

522

551

579

606

635

663vj

=

6ti+6?

t

i

/ms1

342.57 344.83

348.84

348.84

352.94

348.84υ =

1

5Σ

=

×

2j= υj6 0

3.4781 10

mm/s(5)環(huán)境溫度為T(℃)時的聲速ν =ν

o

T1+ =T

× +331.5 1

.208.

=

343.89m/so(6)不確定度的計算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果1 5

27315λ

=

Σλ

=

?3

ν fλ

26 j=0j

9.38×10 m;

= =3.4720×10 m/sλ

Σ(λ?λi

2)

?

6

()uA( )=

n(n?1)

=6.83×10 m

uB=1×10?5m2

2

1.21×10?5mu(λ)= uA(λ)+uB(λ)

=u(f )=uB( f)=5×10?4×37.003×103+1=19.502Hzλ

2[u(λ)]+[

u()2uc(v) f

= ? ?

λ

f

]=37.003×103×9.34×10?3×1.3986×10?3=0.4834m/s取k=2，則U=2uc(v)=0.9668m/sv=(v+v)=(345.61±0.97)m/s1.示波器在使用過程中熒光屏上只有一條水平亮線而沒有被測信號是什么原因造成的?答：在示波器的使用過程中，上述現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的原因很多，大致可歸納為：①示波器接地（GND）（測量時接地按鍵GND應(yīng)該彈起）；②衰減開關(guān)VOLTS/DIV選擇過大（測量時可先選擇小些）；③信號發(fā)生器輸出過小或沒有輸出；④信號發(fā)生器輸出直流信號；⑤在信號的傳輸中，導(dǎo)線或接頭接觸不良，也可造成該現(xiàn)象；⑥示波器的相關(guān)功能鍵都應(yīng)選擇在正確工作狀態(tài)下?？傊绊懙囊蛩睾芏?，要求使用者在使用前一定認(rèn)真閱讀教材。2.在測量聲速時，Y1(CH1)的輸入信號，由于示波器的Y軸放大器、壓電轉(zhuǎn)換器、聯(lián)接線路的相移等原因并不與聲波的位相相同，這對于觀察測量聲波波長有無影響?為什么?答：沒有影響。因?yàn)椴ㄩL是波在傳播過程中位相差為2π的兩點(diǎn)間的距離，與該處位相無關(guān)，所以無影響。3.試比較幾種測聲速方法的優(yōu)缺點(diǎn)。答：實(shí)驗(yàn)講義上共列出了三種測量方法：①李薩如圖相位比較法，②共振法，③波形相位比較法。一般說來，李薩如圖相位比