超聲波測(cè)量液體濃度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

一、 實(shí)驗(yàn)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(jì)一種超聲波聲速的測(cè)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(cè)量出未知溶液的濃度，精度不低于5%。二、 實(shí)驗(yàn)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(cè)量聲速和連續(xù)波法測(cè)量聲速的特點(diǎn)。3、 設(shè)計(jì)連續(xù)波測(cè)量液體聲速的實(shí)驗(yàn)方案。4、 制作氯化鈉溶液濃度與聲速的變化曲線。三、 資料査詢：1、超聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它的功能一方面是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即超聲波）再傳遞出去，另一方面它自身消耗很少的一部分功率。2、超聲波換能器可分為壓電換能器、夾心換能器、柱型換能器、倒喇叭型換能器等等。3、壓電式超聲波換能器的工作原理：超聲波換能器的核心結(jié)構(gòu)是壓電片。壓電片是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷等）做成的。它在應(yīng)力作用下兩極產(chǎn)生異號(hào)電荷，兩極間產(chǎn)生電位差（稱正壓電效應(yīng)）；而當(dāng)壓電材料兩端間加上外加電壓時(shí)又能產(chǎn)生應(yīng)變（稱逆壓電效應(yīng)）。利用上述可逆效應(yīng)可將壓電材料制成壓電換能器，以實(shí)現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。三、實(shí)驗(yàn)方案：1、物理模型的建立及比較和選擇：超聲波在不同濃度液體中的傳播速度不同，在不同的液體濃度下測(cè)量出超聲波的傳播速度就可以定量研究聲速與濃度的關(guān)系（變化曲線），最后就可以通過測(cè)量超聲波在某位置濃度液體中的傳播速度計(jì)算出液體濃度。故本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是測(cè)量超聲波的傳播速度。s1）如果聲波在時(shí)間t內(nèi)傳播的距離為s，則聲速為Vt

22） 由于聲波在時(shí)間T（周期）內(nèi)傳播的距離為九（波長(zhǎng)），貝h=T=3） 橫波波速：v=廠"聲波傳播距離s用的時(shí)間t不易測(cè)量，介質(zhì)形變的恢復(fù)力T和液體密度p也不易測(cè)量，故本實(shí)驗(yàn)采用模型二，即V二T=2f。2、實(shí)驗(yàn)方法的比較和選擇：2由V=T=2f知，只要測(cè)出頻率和波長(zhǎng)，便可以求出聲速V。本實(shí)驗(yàn)使用交流電信號(hào)控制發(fā)生器，故聲波頻率f即電信號(hào)的頻率，它可用頻率計(jì)測(cè)量或信號(hào)發(fā)生器直接顯示，而波長(zhǎng)入的測(cè)量常用的是相位比較法和駐波法（共振干涉法）。方法一：駐波法（共振干涉法）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(chǎng)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(diǎn)的合振動(dòng)方程為=2=2Acos(22_x)cos@t)最大振幅（2A）處被稱為駐波的“波腹點(diǎn)”最小振幅（0A）處被稱為“波節(jié)點(diǎn)”波腹點(diǎn)位置：A(x)—2A,即 x k兀,xk2(k0,1,2, )波節(jié)點(diǎn)位置：2兀 兀 2A(x)—0，即x—(2k+1) ，x—(2k+1) (k—0,1,2,.....)2 2 4可知，相鄰兩個(gè)波腹點(diǎn)（或波節(jié)點(diǎn)）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(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，即形成穩(wěn)定的駐波，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。2L=k_（k=0,1,2,3 ）共振時(shí)，駐波的幅度達(dá)到極

大，同時(shí)，接受器表面的振動(dòng)位移

應(yīng)為零，即為波節(jié)點(diǎn)，但由于聲波

是縱波，所以聲壓達(dá)到極大值。理論計(jì)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(dòng)發(fā)射源，依次測(cè)出接受信號(hào)極大的位置L,L,L,L…，1 2 3 4,AL二L-L丄則可以求出聲波的波長(zhǎng)九，進(jìn)一步計(jì)算出聲速卩。k+1k2方法二：相位比較法：由聲波的波源（簡(jiǎn)稱聲源）發(fā)出的具有固定頻率廣的聲波在空間形成一個(gè)聲場(chǎng)，聲場(chǎng)中任一點(diǎn)的振動(dòng)相位與聲源的振動(dòng)相位之差A(yù)申為:2fv在示波器上可觀測(cè)到發(fā)射波與接受波信號(hào)的垂直振動(dòng)合成的李薩如圖形。若發(fā)射波合接受波的信號(hào)為：x=Acos（?t+申）TOC\o"1-5"\h\z< i iy=Acos（wt+Q）V 2 2X2 X2 y2+-A2 A212cos?申)=sin2(申申)\o"CurrentDocument"AA 2-1 2-112當(dāng)人申=申申=0時(shí)，示波器上合振動(dòng)軌跡為處于第一、第三象限的直線段;2-1當(dāng)Aq=99=—時(shí)，示波器上合振動(dòng)軌跡為一正橢圓；當(dāng)Aq=99=兀時(shí)，合2-12 2-1振動(dòng)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"時(shí)，利薩如圖形會(huì)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Li處的某點(diǎn)振動(dòng)與聲源的振動(dòng)反相，則加i為兀的奇數(shù)倍:A9A9]=(2k+1)兀=(k=0丄2,…)若在距離聲源L處的某點(diǎn)振動(dòng)與聲源的振動(dòng)同相，則Ap為兀的偶數(shù)倍:22相鄰的同相點(diǎn)與反相點(diǎn)之間的相位差為:(k相鄰的同相點(diǎn)與反相點(diǎn)之間的相位差為:(k=0,1,2,…)Af=fx0.05%相鄰的同相點(diǎn)與反相點(diǎn)之間的距離為:AL二L2-L1將接收器由聲源處開始慢慢移開，隨著距離為￡，九，3九,2九,…，可探測(cè)到一系列與聲源反相或同相的點(diǎn)，由此可求波長(zhǎng)九。(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)f:f=1:1的利薩如圖形xy(a)p-Q(a)p-Q二021(c)*-*=兀(d)*-*122121A申的測(cè)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(hào)，分別輸入示波器的x軸和y軸，則熒光屏上亮點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是兩個(gè)相互垂直的諧振動(dòng)的合成，當(dāng)y方向的振動(dòng)頻率與x方向的振動(dòng)頻率比即f:f為整數(shù)時(shí)，合yx成運(yùn)動(dòng)的軌跡是一個(gè)穩(wěn)定的封閉圖形，稱為利薩如圖形。利薩如圖形與振動(dòng)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(gè)同相點(diǎn)和反相點(diǎn)看到的則是直線。

方法二：時(shí)差法：利用V=L/T,將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號(hào)加到發(fā)射換能器上，聲波在溶液中傳播，經(jīng)過時(shí)間T后，到達(dá)L距離處的接收換能器。利用上述公式算出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。步驟：1、將超聲波發(fā)射換能器接到信號(hào)發(fā)生器中，調(diào)至后者至發(fā)射脈沖波的方式；2、將換能器浸入液體至全部淹沒，將S1，S2之間調(diào)成一定距離；3、調(diào)節(jié)接收增益，是示波器上接收波信號(hào)幅度在400MV左右，是計(jì)時(shí)器工作在最佳狀態(tài)4、記錄此時(shí)的距離和顯示的時(shí)間值L,T5、移動(dòng)S2，同時(shí)調(diào)節(jié)接收增益，使接收波信號(hào)幅度始終保持一致，每隔10mm記錄下顯示的時(shí)間值，共記錄10個(gè)點(diǎn)。3、儀器的選擇與配套:1）誤差公式推導(dǎo)：/x0.5%3、儀器的選擇與配套:1）誤差公式推導(dǎo)：/x0.5%2）實(shí)驗(yàn)儀器:⑴信號(hào)發(fā)生器：（量程：100KHz~2MHz 儀器誤差：Hz）⑵示波器⑶聲速測(cè)量?jī)x（發(fā)射換能器、接收換能器、盛液體的容器）附：超聲波換能器工作原理: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(jí)施加一個(gè)電壓短脈沖時(shí)，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。隔聲層晶片延遲塊聲束TL隔聲層晶片延遲塊聲束TLsi-TR揀頭聲場(chǎng)分布si-TR揀頭聲場(chǎng)分布b-探杵原理示意圖換能器的種類：縱波波型、橫波波型、表面波波型。4、測(cè)量條件與最佳參數(shù)的確定：1） 測(cè)量條件：溫度會(huì)影響聲波在液體中的傳播速度，在測(cè)量時(shí)要避免溫度對(duì)聲速測(cè)量的影響，因此在測(cè)量聲波在液體中的傳播速度時(shí)要保證溫度一致。液體的濃度不能過大也不能過小，要適量。2） 最佳參數(shù)：超聲波的頻率在100kHz~2MHz之間，液體的濃度在一定的范圍內(nèi)。測(cè)量溫度最好最好在室溫下四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、實(shí)驗(yàn)裝置連接：<7<7號(hào)源2、實(shí)驗(yàn)步驟:方法一：調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)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(shí)，幾下S2的位置L0。根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)給出的壓電晶體的振動(dòng)頻率f,將信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率調(diào)至f附近，調(diào)節(jié)SI、S2間距約5cm，緩慢移動(dòng)S2,增大二者間距。當(dāng)示波器首次出現(xiàn)振幅最大時(shí)，固定S2,再仔細(xì)微調(diào)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，使銀光評(píng)上圖形振幅達(dá)到最大，讀出共振頻率f。由近及遠(yuǎn)移動(dòng)S2,逐次記下各振幅極值點(diǎn)的位置LI、L2、L3……L12,過程中保持頻率不變。方法二：調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置和儀器，將輸入信號(hào)同時(shí)接入示波器的x輸入端，將接收信號(hào)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(gè)斜線形利薩如圖形開始測(cè)量，記錄S2的位置坐標(biāo)。連續(xù)移動(dòng)S2，每次得到相同的斜線形利薩如圖形時(shí)，測(cè)量對(duì)應(yīng)的S2的位置坐標(biāo)并記錄，同時(shí)記錄所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率f。5、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：（見附錄表格）6、 注意事項(xiàng)：（見注意事項(xiàng)總述）五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（方案一、二）1、 聲波發(fā)射器和聲波接收器的兩個(gè)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(hào)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(cè)量時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)螺桿使S2移動(dòng)，請(qǐng)避免空回誤差。5、 當(dāng)使用液體為介質(zhì)測(cè)聲速時(shí)，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(shí)，應(yīng)避免信號(hào)源的信號(hào)輸出端短路。7、 在儲(chǔ)液槽中注入液體時(shí)，要直至將換能器完全浸沒，但不能超過液面線。同時(shí)，不能將液體淋在數(shù)字顯示表頭上。8、 將專用信號(hào)源上的