1、實驗6 用示波器測超聲波在空氣中的聲速學習重點 1用示波器測定聲波（超聲波）在空氣中的傳播速度，進一步熟悉示波器的使用；2了解壓電陶瓷在電聲和聲電轉換中的應用原理、方法；從而學習一種非電量的電測法； 3了解共振干渉及相位比較兩種測量聲波速度的原理；學習使用數字信號發生器。實驗原理聲波是一種在彈性媒質中運動的機械波，當把空氣作理想氣體近似時，聲波在空氣中的傳播過程可以認為是絕熱過程，其傳播速度可以表示為 (6-35-1)式中r是摩爾氣體常數(8.314j.mol-1.k-1)；=cp/cv是比熱容比;µ為分子量；是氣體密度；t為絕對溫度；p為氣體壓強；b為聲波傳播媒質的容變彈性模量(揚

2、氏模量) ,t為攝氏溫度,t0=273.15°k，為0°c時的熱力學溫度。在0°c時，干燥空氣中的聲速為331.45m.s-1聲波是機械波，產生與接收聲波就是發射和接收機械波。本實驗,將使用壓電陶瓷超聲換能器（壓電傳感器）來實現非電量的電測,。壓電陶瓷超聲換能器的結構如圖6-35-1所示，其中3、4為壓電陶瓷環。它是將多晶結構的壓電材料（如鈦酸鋇）制成圓環，經加熱后在兩側加電壓使之極化，并冷卻到極化溫度（約120°c）以下，撤去電壓后，極化電偶極矩能繼續存在，稱為壓電陶瓷環，它具有一種獨特的性能：如果在壓電陶瓷環兩側加上與極化方向相同的電壓，圓環就會產生

3、縱向伸長（變厚），電壓方向改變，圓環縱向收縮（變薄）；如果加交變電壓，圓環產生縱向機械振動。相反，如果壓電陶瓷環受到縱向壓縮，圓環兩側產生與極化方向相反的電壓；如果縱向拉伸，則產生與極化方向相同的電壓。 4351672利用壓電陶瓷環的特性，便可制作壓電陶瓷超聲換能器。本實驗采用的換能器，頭部是用輕金屬鋁制成喇叭形圓柱，端面為平面，便于輻射和接收平面超聲波，尾部制成平頭圓錐，中間夾壓電陶瓷環，用高強度黏合劑聯結成整體，尾部和端面加有螺釘起電位連接和給壓電陶瓷環預加應力的作用，以提高1. 頭部 2.頸部、接地端 3、4.壓電陶瓷環5.尾部 6.鑼釘 7.電源引線q值。如圖6-35-1所示，當壓電陶

4、瓷環兩側加上超聲信號源時，頭部即產生縱向機械振動，由端面輻射平面超聲波（電聲轉換），當用換圖6-35-1能器接收（檢測）超聲波時，受聲壓作用壓電陶瓷環兩側產生交變電壓（聲電轉換），用示波器或交流靈敏毫伏表可測量輸出電壓的大小。壓電換能器系統有一諧振頻率f0。當外加強迫力的頻率等于諧振頻率時，壓電換能器產生機械諧振，此時得到電信號最強。它作為接收器的靈敏度最高；當輸入電信號使壓電換能器產生機械諧振時，它的振幅最大，它作為波源的輻射功率就最大，本實驗采用的壓電換能器的諧振頻率f0約35 45khz。本實驗將采用共振干涉法及相位比較法兩種方法來測量超聲波在空氣中傳播的速度。兩種方法都是通過測定超聲波

5、的波長和頻率f來求得聲速v實： v實 =f（ms-1） （6-35-2）1. 共振干涉法（駐波法）實驗裝置如圖6-35-2，圖中z1和z2為壓電陶瓷超聲波換能器，z1作為超聲波（發射頭），數字式函數信號發生器產生的正弦波信號輸送到z1，由于逆壓電效應，發射頭將發出一平面波。z2作為超聲波的接收頭，由于壓電效應接收頭將接收到的聲壓轉換成電信號輸入示波器觀察。假定發射面與接收面相對且平行，入射波經過空間傳播到達接收面又垂直反射，則入射波與反射波相干形成駐波，兩換能器的端面均為駐波波節。因此當端面間的距離為半波長的整數倍時，兩端面間的空氣柱共振，在駐波波腹處，振幅有最大值。聲壓變化最小，在波節處，振

6、幅為零，聲壓的變化有最大值。調節游標尺或測微螺旋改變接收換能器的位置，從示波器指示電壓最大值的地方即為駐波波節。緩慢改變接收換能器的位置，當示波器連續兩次指示電壓最大時，則接收換能器所改變的距離即等于/2。根據函數信號發生器的頻率f，由（6-35-2）式可計算聲速v實 。共振干涉法又稱駐波法。數字式函數信號發生器示波器z1 z2y xl圖6-35-2 2.相位法相位法即行波法。實驗裝置如圖6-35-3所示，從z1發出的超聲波通過空氣傳播到達接收頭z2被接收，此接收波和發射波之間產生相位差，這相位差和角頻率，傳播時間t，聲速v，頻率f，距離l，波長之間有下列關系：= t =2f l / v =2

7、l / 因此，可以通過測來求得聲速v v = 2f l / （6-35-3）根據（6-35-3）式，實驗上通過改變z2與z1間的距離l，觀察位相差的變化。顯然，位相差每改變2（增加或減少），相應的距離l改變一個波長。示波器z1 z2y x數字式函數信號發生器l圖6-35-3我們可以通過示波器來觀察位相差。互相垂直的兩諧振動的迭加，能得到李薩如圖形。如果兩諧振動的頻率相同，則李薩如圖形就很簡單。隨著兩振動的位相差從02變化，示波器熒光屏上就出現如圖6-35-4所示的各種李薩如圖形。選擇判斷比較靈敏的，亦即李薩如圖形為直線時對應的z2位置為起點，z2相對于z1的距離每增加一個波長，就會重復出現同樣

8、斜率的直線。實驗上，我們通過觀察“重復出現同樣斜率的直線”，借助螺旋測微裝置即能測得波長。如果重復出現相同斜率的直線次數為n，則z2相對z1的距離改變n。 圖6-35-4超聲換能器實驗儀器本實驗所用儀器如圖6-35-5所示，有sw-1a型聲速測量儀、dcy-3a型功率函數信號發生器、xj4328型雙蹤示波sw-1a聲速測量儀器等。dcy-3功率函數信號發生器xj4328示波器圖6-35-5實驗步驟 1.共振干涉法測聲速按圖6-35-2接好線路。調節數字函數信號發生器的輸出信號幅度及頻率（要等于或接近壓電陶瓷超聲換能器共振頻率f0確定聲源（發射頭）激勵信號，并在測試過程中保持不變。以示波器熒光屏

9、上呈現正弦波振幅最大為準，這時兩個換能頭比較接近，記下l0及f0，然后測出正弦波振幅為極大連續出現n個后，z 1與z2相距ln，則所測波長=2 ( l n- l0 ) / n重復測量多次，求出v =v ±v 2相位法測聲速按圖6-35-3接好線路。函數信號發生器與示波器的調整使用要求同共振干涉法。選擇熒光屏上呈現“直線形”李薩如圖z 1、z2相近時的位置為起點，并記下間距l0及頻率f0。然后測出“同向李薩如圖形”連續出現n個的z1與z2間距l n ，則所測波長為= (ln - l0 )/n ，用多次測量法，測量求得v =v ±v 3. 測出實驗室的溫度t0c，按公式（6-35-1）計算當時超聲波