1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告聲速的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)工程】1用共振干預(yù)法測(cè)量空氣中的聲速 2用相位比擬法測(cè)量空氣中的聲速 3時(shí)差法測(cè)量介質(zhì)中的聲速；4用反射法測(cè)量擋板的距離【實(shí)驗(yàn)儀器】聲速測(cè)量?jī)x、FD-SV-D超聲波測(cè)距綜合試驗(yàn)儀、示波器【實(shí)驗(yàn)原理】由于超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點(diǎn)。在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)還在于超聲波的波長(zhǎng)短，可以在短距離較精確的測(cè)出聲速。超聲波的發(fā)射和接收一般通過電磁振動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)，最常見的方法是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng) 來實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)采用的是壓電陶瓷制成的換能器(探頭)，這種壓電陶瓷可以在機(jī)械振動(dòng)與交流電壓之間雙向換能。聲波的傳播速度v與其頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系為

2、：vf由(1)式可知，測(cè)得聲波的頻率和波長(zhǎng)，就可以得到聲速。同樣，傳播速度亦可用v L /t (2) 表示，假設(shè)測(cè)得聲波傳播所經(jīng)過的距離L和傳播時(shí)間t，也可獲得聲速。1. 共振干預(yù)法實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，圖中S1和S2為壓電晶體換能器，S1作為聲波源，它被低頻信號(hào)發(fā) 生器輸出的交流電信號(hào)鼓勵(lì)后，由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生受迫振動(dòng)，并向空氣中定向發(fā)出以近似的平面聲波；S2為超聲波接收器，聲波傳至它的接收面上時(shí)，再被反射。當(dāng)S1和S2的外表近似平行時(shí)，聲波就在兩個(gè)平面間來回反射，當(dāng)兩個(gè)平面間距L為半波長(zhǎng)的整倍數(shù)，即L=n 入 /2n=0, 1, 2,(3)時(shí)，S1發(fā)出的聲波與其反射聲波的相位在S1處差2n

3、(n=1 , 2)，因此形成共振。因?yàn)榻邮掌鱏2的外表振動(dòng)位移可以忽略，所以對(duì)位移來說是波節(jié)，對(duì)聲壓來說是波腹。本 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是聲壓，所以當(dāng)形成共振時(shí)，接收器的輸出會(huì)出現(xiàn)明顯增大。從示波器上觀察 到的電信號(hào)幅值也是極大值 (參見圖2)。圖中各極大之間的距離均為入/2，由于散射和其他損耗，各級(jí)大致幅值隨距離增大而逐漸減小。我們只要測(cè)出各極大值對(duì)應(yīng)的接收器S2的位置，就可測(cè)出波長(zhǎng)。由信號(hào)源讀出超聲波的頻率值后，即可由公式(1)求得聲速。2. 相位比擬法波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。沿波傳播方向的任何兩點(diǎn)同相位時(shí)，這兩點(diǎn)間的距離就是波長(zhǎng)的整數(shù)倍。利用這個(gè)原理，可以精確的測(cè)量波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)裝置

4、如圖1所示，沿波的傳播方向移動(dòng)接收器S2,接收到的信號(hào)再次與發(fā)射器的位相相同時(shí)，一國(guó)的距離等于與聲波的波長(zhǎng)。同樣也可以利用李薩如圖形來判斷位相差。實(shí)驗(yàn)中輸入示波器的是來自同一信號(hào)源的信 號(hào)，它們的頻率嚴(yán)格一致，所以李薩如圖是橢圓，橢圓的傾斜與兩信號(hào)的位相差有關(guān)，當(dāng) 兩信號(hào)之間的位相差為 0或n時(shí)，橢圓變成傾斜的直線。位相差和角頻率、傳播時(shí)間t之間有如下關(guān)系：=t同時(shí)有2_ , t l/v , Tv,式中T為周期代入上式得：=乙丄當(dāng)I n=1, 2, 3,時(shí)，可得 =n。2由上式可知：當(dāng)接收點(diǎn)和波源的距離變化等于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，那么接收點(diǎn)和波源的位相差也正 好變化一個(gè)周期即=2 n。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過改變

5、發(fā)射器與接收器之間的距離，觀察到相位的變化。當(dāng)相位差改變n時(shí)， 相應(yīng)距離的改變量即為半個(gè)波長(zhǎng)。根據(jù)波長(zhǎng)和頻率即可求出波速。3. 時(shí)差法用時(shí)差法測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)裝置仍采用上述儀器。由信號(hào)源提供一個(gè)脈沖信號(hào)。經(jīng)t時(shí)間到達(dá)L處的接收器，根據(jù)關(guān)系 v=L/t，即可計(jì)算出聲速。4. 超聲測(cè)距用反射法，就要求使用接收器與發(fā)射器在同一位置，利用公式：L=vt=vT/2T為發(fā)射到接收的時(shí)間差。實(shí)驗(yàn)步驟】1. 共振干預(yù)法 翻開實(shí)驗(yàn)儀與示波器 實(shí)驗(yàn)儀調(diào)整為相位測(cè)量模式。信號(hào)源：一接口接超聲發(fā)生器、一接口接示波器的 1通道 CH1 信號(hào)接收放大：輸入端接超聲接收器、輸出端接示波器的 2 通道 CH2 觀察CH2的信號(hào)

6、，按下 POSITION使得信號(hào)置中。 界面上顯示有頻率值，記下該頻率值f。只顯示CH2的信號(hào)，界面上顯示有 CH2的最大電壓值。 調(diào)節(jié)游標(biāo)尺，使得讀數(shù)歸零。將游標(biāo)尺調(diào)節(jié)到最近的位置，獲得最大的信號(hào)電壓值，記下此處的位置。 繼續(xù)移動(dòng)游標(biāo)尺，每到一個(gè)信號(hào)電壓最大處，記錄位置，總共記錄20 個(gè)位置。使用逐差法，獲得半波長(zhǎng)，進(jìn)而獲得聲速。2. 相位比擬法 仍舊使用相位測(cè)量模式，游標(biāo)尺歸零 顯示CH1、CH2,按下DISPLAY將模式調(diào)節(jié)為 XY模式，此時(shí)顯示李薩如圖形。 游標(biāo)尺開始移動(dòng)。每到一處李薩如圖形為一斜線，就記錄一次位置。 使用逐差法，獲得半波長(zhǎng)，進(jìn)而獲得聲速。3. 時(shí)差法 切換為時(shí)差法測(cè)量

7、模式。連續(xù)移動(dòng)接收端游標(biāo)尺，記錄接收端的位置L,同時(shí)記錄主機(jī)液晶屏上顯示的時(shí)間t，取多個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理。繪制直線，斜率就是所測(cè)聲速v 。4. 反射法測(cè)量擋板距離。 將利用磁鋼將擋板吸附在移動(dòng)接收端之前。將游標(biāo)尺上的接收端的接口拔出，換到發(fā)生器一側(cè)的接收接口。進(jìn)入超聲波測(cè)距模式，移動(dòng)擋板，同時(shí)記錄擋板位置L與液晶屏上的顯示距離I，比擬兩者的數(shù)值。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】頻率：f=1共振干預(yù)法接收序號(hào)iLi/mm接收序號(hào)iLi/mmdelta Li/mm平均差值/mm11143.9221245.0831344.2041443.6951544.7461644.9371743.8381844.1991944.47

8、102043.90平均波長(zhǎng)：-=44.30 -=8.860 mm5聲速：v 40.0001 8.860354.4 m/s2相位比擬法接收序號(hào)iLi/mm接收序號(hào)iLi/mmdelta Li/mm平均差值/mm11144.0121243.8031343.7441443.7351543.6461643.7171743.6781843.7191943.72102044.30平均波長(zhǎng)：=43.80 -=8.760 mm5聲速：v 40.0001 8.760350.4 m/s3時(shí)差法180160140y = 0.3504X -47.172R2= 0.9996120 m 100 mL 8060 4020100200300400500600700斜率 v = 0.3504 mm/ y s = 350.4 m/s4