太原理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)超聲聲速的測定(馬珺改)

超聲聲速儀測聲速超聲聲速儀1有關(guān)聲波研究的應(yīng)用和發(fā)展1、聲音與我們的生活2、聲速測量的目的3、聲速測量的發(fā)展有關(guān)聲波研究的應(yīng)用和發(fā)展1、聲音與我們的生活2、聲速測量的目21、聲音與我們的生活自然界中充滿了各種各樣的聲音：收音機(jī)里播放的悅耳音樂聲，飛機(jī)掠過長空時(shí)擾人的噪聲，狂風(fēng)的呼嘯聲，海禱的怒吼聲，爽朗的歡笑聲，歡暢的交談聲，……等等，在日常生活中處處都可以聽到?？梢娐曇襞c我們的生活是密切相關(guān)的。人類對(duì)聲學(xué)的研究最早可以追溯到公元前580年埃及人畢達(dá)哥拉斯。而古希臘人亞里士多德接觸到聲學(xué)理論，他持有關(guān)于空氣的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)構(gòu)成聲音的正確思想，并且他還知道，如果管的長度加倍，則管內(nèi)的振動(dòng)就要花兩倍的時(shí)間。1、聲音與我們的生活自然界中充滿了各種各3牛頓在他的《原理》中對(duì)聲速作了理論推導(dǎo)，但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與此并不相符，牛頓推測了實(shí)驗(yàn)值和理論值之間不一致的原因。但是，真正的解釋是在過了一個(gè)世紀(jì)之后由拉普拉斯(1749—1827)做的。牛頓沒有考慮到由于壓縮變熱和稀疏致冷引起的彈性變化。

牛頓拉普拉斯牛頓在他的《原理》中對(duì)聲速作了理論推導(dǎo)，但4今天人們對(duì)聲音的研究，從語音聲學(xué)、生理聲學(xué)、建筑聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、水聲學(xué)、超聲學(xué)等等，遍及各個(gè)領(lǐng)域。特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在0.0001赫茲至20赫茲之間的波。雖然我們的耳朵聽不見它，在我們周圍由自然和人工產(chǎn)生的次聲波也很多。今天人們對(duì)聲音的研究，從語音聲學(xué)、生理聲學(xué)、建5 如火山爆發(fā)、地震、流星爆炸、極光、雷電、磁暴、臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、晴空湍流、風(fēng)暴、海浪、電離層擾動(dòng)、核爆炸、火箭發(fā)射、大炮、化學(xué)爆炸、飛機(jī)、火車、高速行駛中的汽車、某些大型工廠、高樓、風(fēng)吹過高山等等，都會(huì)在一定的條件產(chǎn)生次聲波。 雖然早在上百年前就首次記錄到了次聲波，可是人們次對(duì)聲的認(rèn)識(shí)卻沒有多大進(jìn)展。到近二十年來，科學(xué)技術(shù)有了飛躍的發(fā)展，人們對(duì)自然界中次聲現(xiàn)象及次聲傳播規(guī)律的認(rèn)識(shí)才有了較大提高。

如火山爆發(fā)、地震、流星爆炸、極光、雷電、磁暴、臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)6聲速測量的目的聲學(xué)測量和分析是人們認(rèn)識(shí)聲學(xué)問題本質(zhì)的一種手段。通過必要的測量和分析可以對(duì)聲學(xué)有定量概念，從而了解其規(guī)律性。聲學(xué)測量通常是指先用電聲(或機(jī)電)換能器把聲波(或振動(dòng))轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，然后用電子儀表放大到一定的電壓，再進(jìn)行測量與分析的技術(shù)以及有關(guān)聲學(xué)儀器的工作原理。聲速測量的目的聲學(xué)測量和分析是人們認(rèn)識(shí)聲學(xué)問題本質(zhì)的7聲速測量的發(fā)展過去，測量聲波和振動(dòng)的儀表都是模擬式電子儀表，測量的速度和準(zhǔn)確度受到一定的限制。六十年代初。出現(xiàn)了數(shù)字式儀表，直接采用數(shù)字顯示，提高了測量時(shí)讀數(shù)的準(zhǔn)確度。由于計(jì)算技術(shù)和高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路的發(fā)展，人們已能用由微處理機(jī)控制的自動(dòng)測量代替逐點(diǎn)測量，使許多需要事后計(jì)算的聲學(xué)測量和分析工作可以用微計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)算。聲速測量的發(fā)展8以微處理機(jī)為中心的測量儀器，不但實(shí)現(xiàn)了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)分析。同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的聲學(xué)測量和分析方法，例如實(shí)時(shí)頻譜分析，聲強(qiáng)測量，聲源鑒別，瞬態(tài)信號(hào)分析，相關(guān)分析等。今后聲學(xué)測量的任務(wù)是采用新的測量技術(shù)，提出新的測量力法，使用自動(dòng)化數(shù)字式儀器，以提高測量的淮確度和速度。

以微處理機(jī)為中心的測量儀器，不但實(shí)現(xiàn)了小型化、多功能9回顧歷史，可以看到，在發(fā)展經(jīng)典聲學(xué)的過程中，許多研究工作是直接用人耳來聽聲音的。直到本世紀(jì)，發(fā)展了無線電電子學(xué)，才使聲波的測量采用了電聲換能器和電子測量儀器。高性能的測量傳聲器、頻譜分祈儀和聲級(jí)記錄器實(shí)現(xiàn)了聲信號(hào)的聲壓級(jí)測量，頻譜分析和聲情號(hào)特性的自動(dòng)記錄；從而可以測量各種不同頻率、不同強(qiáng)度和波形的聲波，擴(kuò)展了聲學(xué)的研究范圍，促進(jìn)了近代聲學(xué)的發(fā)展?？梢云谕?jì)算技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微計(jì)算機(jī)和微處理機(jī)在聲學(xué)工作中的應(yīng)用，必將促使近代聲學(xué)進(jìn)一步發(fā)展。

回顧歷史，可以看到，在發(fā)展經(jīng)典聲學(xué)的過程101、了解超聲壓電換能器的結(jié)構(gòu)和工作原理；2、熟悉示波器和低頻信號(hào)發(fā)生器的使用；3、用共振干涉法和相位比較法測量空氣中的聲速。4、學(xué)會(huì)用逐差法處理數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果的不確定度進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)要求與目的1、了解超聲壓電換能器的結(jié)構(gòu)和工作原理；實(shí)驗(yàn)要求與目的11聲波的基本知識(shí)1、超聲波；聲波是一種機(jī)械波。頻率超過20KHz的聲波稱為超聲波。聲波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。2、理想氣體中的聲速值

γ-絕熱系數(shù)，R-摩爾氣體常數(shù)，μ-空氣分子的摩爾質(zhì)量，T-絕對(duì)溫度聲波的基本知識(shí)1、超聲波；γ-絕熱系數(shù)，R-摩爾氣體常12聲波的基本知識(shí)由此可見，氣體中的聲速v和溫度T有關(guān)，還與比熱比γ及摩爾質(zhì)量μ有關(guān)，后兩個(gè)因素與氣體成分有關(guān)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，時(shí)，聲速大氣中聲速與溫度，濕度及氣壓等密切相關(guān)，根據(jù)聲學(xué)理論，聲速的理論值應(yīng)為由此可見，在極地和赤道，在冬天和夏天，聲音的傳播速度是不同的。聲波的基本知識(shí)由此可見，氣體中的聲速v和溫度T有關(guān)，13相位比較法實(shí)驗(yàn)裝置（相位比較法只需將信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)加在示波器的X端）實(shí)驗(yàn)裝置相位比較法實(shí)驗(yàn)裝置14太原理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)超聲聲速的測定(馬珺改)15頻率調(diào)節(jié)頻率范圍選擇信號(hào)輸出函數(shù)選擇開關(guān)信號(hào)發(fā)生器頻率調(diào)節(jié)頻率范圍選擇信號(hào)輸出函數(shù)選擇開關(guān)信號(hào)發(fā)生器16開關(guān)顯示屏第二通道第一通道一通道增益調(diào)節(jié)二通道增益調(diào)節(jié)時(shí)基掃描聚焦輝度示波器開關(guān)顯示屏第二通道第一通道一通道二通道時(shí)基掃描聚焦輝度示17讀數(shù)裝置壓電陶瓷換能器底座讀數(shù)裝置壓電陶瓷換能器底座18傳感器及它的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 傳感器是物理實(shí)驗(yàn)中常用的間接測量元件。本實(shí)驗(yàn)中使用的傳感器是由壓電陶瓷片構(gòu)成的，其中一個(gè)是用來產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個(gè)用來接收振動(dòng)，同時(shí)電輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。傳感器及它的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 傳感器是物理實(shí)驗(yàn)中常用的19本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷超聲換能器來實(shí)現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。壓電換能器做波源具平面性、單色性好以及方向性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，由于頻率在超聲范圍內(nèi)，一般的音頻對(duì)它無干擾。頻率提高，波長λ就短，在不長的距離中可測到許多個(gè)λ，取其平均值，λ的測定較準(zhǔn)確。這些都可使實(shí)驗(yàn)的精度大大提高。壓電陶瓷超聲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)的壓電材料做成的，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后，具有壓電效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷超聲換能器來實(shí)現(xiàn)20傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外殼傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外21開關(guān)顯示屏二通道一通道一通道放大、衰減器二通道放大、衰減器時(shí)基掃描聚焦輝度開關(guān)顯示屏二通道一通道一通道放大、衰減器二通道放大、衰減器時(shí)22實(shí)驗(yàn)原理（一）、超聲聲速測定儀的工作原理1、超聲波的發(fā)射原理（逆壓電效應(yīng)）；首先在發(fā)射端加一個(gè)正弦信號(hào)，壓電陶瓷會(huì)發(fā)生周期性伸長縮短，這個(gè)振動(dòng)被傳遞給變幅桿，當(dāng)傳到端面上時(shí)，就在空氣中激發(fā)出超聲波。2、超聲波的接收原理（正壓電效應(yīng)）接受端的壓電陶瓷將接收到的聲振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)3、壓電陶瓷換能器的諧振頻率f0實(shí)驗(yàn)原理（一）、超聲聲速測定儀的工作原理23實(shí)驗(yàn)原理（二）、聲速的測量原理

實(shí)驗(yàn)原理（二）、聲速的測量原理24實(shí)驗(yàn)原理（二）、聲速的測量原理

1.相位比較法設(shè)：聲波頻率為f,空間任一接收點(diǎn)和發(fā)射點(diǎn)的相位差為同相點(diǎn)：反相點(diǎn)：相鄰?fù)帱c(diǎn)和反相點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)原理（二）、聲速的測量原理1.相位比較法同相點(diǎn)：反25實(shí)驗(yàn)原理（二）、聲速的測量原理

結(jié)論：若記下李薩茹圖形為相同直線時(shí)接收器所處位置，則每兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離就是實(shí)驗(yàn)原理（二）、聲速的測量原理結(jié)論：若記下李薩茹圖形為26超聲聲速測定儀發(fā)射換能器接收換能器信號(hào)發(fā)生器頻率計(jì)示波器YS2S1共振干涉法實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)射換能器接收換能器信號(hào)發(fā)生器頻率計(jì)示波器YS2S127

位移波S2S1聲壓波1、共振干涉法（駐波法）結(jié)論：每兩個(gè)相臨波腹（波節(jié)）間的距離為位移波S2S1聲壓波1、共振干涉法（駐28

1、共振干涉法（駐波法）s1和s2為壓電陶瓷超聲換能器，s1作為超聲源（發(fā)射頭），信號(hào)源發(fā)出的正弦電壓信號(hào)接到換能器s1后，即能發(fā)出一平面聲波。s2作為超聲波的接收頭，接收的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入示波器觀察，s2在接收超聲波的同時(shí)還反射一部分超聲波。這樣，由s1發(fā)出的超聲波和由s2反射的超聲波在s1、s2之間的區(qū)域干涉而形成駐波。改變s1、s2之間的距離，在一系列特定的位置上，接收面s2上的聲壓達(dá)到極大值，移動(dòng)接收器，會(huì)發(fā)現(xiàn)接收信號(hào)振幅從大到小出現(xiàn)周期性變化，測出接收信號(hào)極大時(shí)，接收器的位置L1,L2L3,---每兩相鄰點(diǎn)之間距離就是1、共振干涉法（駐波法）29按實(shí)驗(yàn)裝置圖接線，使發(fā)射頭和接收頭的端面盡量平行；尋找共振頻率，在40kHz附近調(diào)整函數(shù)發(fā)生器的輸出頻率，使接收頭輸出的電信號(hào)幅度最大；相位比較法測波長，記錄示波器上圖形相繼出現(xiàn)10個(gè)相同直線形時(shí)所對(duì)應(yīng)的接收頭的坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按實(shí)驗(yàn)裝置圖接線，使發(fā)射頭和接收頭的端面盡量平行；實(shí)驗(yàn)內(nèi)30

數(shù)據(jù)記錄與處理LiL1L2L3L4L5sLi+5L6L7L8L9L10s單位：mm數(shù)據(jù)記錄與處理LiL1L2L3L4L5sLi+531數(shù)據(jù)記錄及處理從不確定度的非零數(shù)字的最左一位向右數(shù)得到的位數(shù)取兩位數(shù)據(jù)記錄及處理從不確定度的非零數(shù)字的最左一位向右數(shù)得到的位數(shù)32注意事項(xiàng)1.為保證性能穩(wěn)定，應(yīng)預(yù)熱10分鐘后再使用。2.調(diào)節(jié)儀器旋鈕要輕緩，以免損壞。3.信號(hào)發(fā)射器的信號(hào)輸出幅度不要過大，避免儀器過熱而損壞。4.螺旋來回轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生螺距間隙偏差，測量時(shí)應(yīng)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)超聲測量儀測微螺旋。注意事項(xiàng)1.為保證性能穩(wěn)定，應(yīng)預(yù)熱10分鐘后再使用。33注意事項(xiàng)5.實(shí)驗(yàn)中S2的測量必須是連續(xù)進(jìn)行的,決不可進(jìn)行跳躍式測量。6.信號(hào)源電源開關(guān)打開后，S1與S2發(fā)射面和接收面要保持相互平行并S1與S2間距必須大于3cm，小于13cm否則會(huì)損壞壓電換能器。注意事項(xiàng)5.實(shí)驗(yàn)中S2的測量必須是連續(xù)進(jìn)行的,決不可34注意事項(xiàng)7、實(shí)驗(yàn)時(shí)要使函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率等于換能器的諧振頻率，并且在實(shí)驗(yàn)過程中保持不變。8、由于聲波在空氣中衰減較大，隨著接收換能器與發(fā)射換能器之間距離的增大，接收到的信號(hào)幅度會(huì)很快變小。實(shí)驗(yàn)中必要