1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)：超聲聲速測(cè)定作者:日期:超聲聲速測(cè)定聲波特性的測(cè)量，如頻率、波長(zhǎng)、聲速、聲壓衰減、相位等，是聲波檢測(cè)技 術(shù)中的重要內(nèi)容。特別是聲速的測(cè)量，不僅可以了解媒質(zhì)的特性而且還可以了解 媒質(zhì)的狀態(tài)變化，在聲波定位、探傷、測(cè)距等應(yīng)用中具有重要的實(shí)用意義。 例如, 聲波測(cè)井、聲波測(cè)量氣體或液體的濃度和比重、 聲波測(cè)量輸油管中不同油品的分 界面等等。“聲速的測(cè)量”是一個(gè)綜合性聲學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用壓電陶瓷超聲換能器通 過(guò)駐波法（共振干涉法）和相位比較法測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度，這是一 個(gè)非電量電測(cè)方法的應(yīng)用。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以重點(diǎn)學(xué)習(xí)如下內(nèi)容：（1）實(shí)驗(yàn)方法: 非電量的電測(cè)方法；測(cè)量聲速的駐波法

2、和相位比較法。（2 ）測(cè)量方法：利用示波 器測(cè)量電信號(hào)的極大值和觀察李薩如圖形測(cè)量相位差的方法。（3）數(shù)據(jù)處理方法：求聲波波長(zhǎng)的逐差法。（4）儀器調(diào)整使用方法：雙蹤示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 的正確調(diào)節(jié)和使用方法。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? .學(xué)習(xí)用駐波共振法和相位比較法測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度。2 .了解壓電換能器的功能。3 .學(xué)習(xí)用逐差法處理數(shù)據(jù)。【實(shí)驗(yàn)儀器】SV）J 5型聲速測(cè)11t儀信號(hào)源、SV- DH系列聲速測(cè)試儀、雙蹤示波器等匚數(shù)僖號(hào)發(fā)生器的面軟【實(shí)驗(yàn)原理】頻率介于2 0Hz2 0kHz的機(jī)械波振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播就形成聲波，介于2 0 kHz 5 00MHz的稱(chēng)為超聲波，超聲波的傳播速度就

3、是聲波的傳播速度 ,而超 聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射和會(huì)聚等優(yōu)點(diǎn)，聲速實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻率一般 都在2 0 KHz-60kHz之間。在此頻率范圍內(nèi),采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā) 射器、接收器、效果最佳。根據(jù)聲波各參量之間的關(guān)系可知 f ,其中 為波速，入為波長(zhǎng)，f為頻 率。圖4- 5 -1共振法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)測(cè)定聲波的波長(zhǎng)入和頻率 f求聲速。聲波的頻率f可以直接從低頻信號(hào)發(fā)生器（信號(hào)源）上讀出，而聲波的波長(zhǎng)人則常用相位比較法（行 波法）和共振干涉法（駐波法）來(lái)測(cè)量。圖4-5-2相位比較法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)裝置1 .相位比較法實(shí)驗(yàn)裝置接線(xiàn)如圖4 -5-2所示，置示波器功能于 X

4、-Y方式。當(dāng)S1發(fā)出的平面超聲波通過(guò)媒質(zhì)到達(dá)接收器 S2,合成振動(dòng)方程為：2xA12y22xyAA1A22 /、cos( 21) sin ( 21)在發(fā)射波和接收波之間產(chǎn)生相位差見(jiàn)圖3,隨著振動(dòng)的相位差從0的變化，李薩如圖形從斜率為正的直線(xiàn)變?yōu)闄E圓，再變到斜率為負(fù)的直線(xiàn)。因此，每移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)，就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)斜率符號(hào)相反的直線(xiàn)，測(cè)得了波(a)(b )(c)-(d)圖4一 5 3合成振動(dòng)長(zhǎng)和頻率f ,根據(jù)式f即可計(jì)算出聲音傳播的速度。改變S1和S2之間的距離L,相當(dāng)于改變了發(fā)射波和接收波之間的相位差，熒光屏上的圖形也隨L不斷變化。顯然，當(dāng)S1、S2之間距離改變半個(gè)波長(zhǎng)L /2,則2.共振干涉（駐波）

5、法測(cè)聲速由聲源S 1發(fā)出的聲波（頻率為f）,經(jīng)介質(zhì)（空氣）傳播到S2,凡在接收聲波信號(hào)的同時(shí)反射部分聲波信號(hào)。如果接收面（S2）與發(fā)射面（S 1）嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與反射波相干涉形成駐波。反射面處是位移的波節(jié),聲壓的波腹。改變接收器與發(fā)射源之間的距離L,在一系列特定的距離上，空氣中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。此時(shí)L等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，駐波，產(chǎn)生的電信的幅度達(dá)到極大；同時(shí)，在接收面上的聲壓波腹也相應(yīng)地達(dá)到極大值。通過(guò)壓電轉(zhuǎn)換號(hào)的電壓值也最大（示波器顯示波形的幅值最大）o因此，若保持頻率不變，通過(guò)測(cè)量相鄰兩次接f計(jì)算出收信號(hào)達(dá)到極大值時(shí)接收面之間的距離AL即可得到該波的波長(zhǎng)人

6、（人:g,并用 聲速。3.壓電陶瓷換能器壓電陶瓷換能器是由壓電陶瓷片和輕重兩種金屬組成。正負(fù)電極片圖4 5-4縱向換能器的結(jié)構(gòu)壓電陶瓷片是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、錯(cuò)鈦酸鉛陶瓷等），在一定溫度下經(jīng)極化處理制成的。它具有壓電效應(yīng)，即受到與極化方向一致的應(yīng)力 T時(shí)，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場(chǎng)強(qiáng)度 E且具有線(xiàn)性關(guān)系：E g T ,即力一電，稱(chēng)為 正壓電效應(yīng)；當(dāng)與極化方 向一致的外加電壓 U加在壓電材料上時(shí)，材料的伸縮形變 S與U之間有簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系： S d U，即電一力，稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。其中g(shù)為比例系數(shù)，d為壓電常數(shù)，與材料的性質(zhì)有 關(guān)。由于E與T, S與U之間有簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，因此我們就

7、可以將正弦交流電信號(hào)變成 壓電材料縱向的長(zhǎng)度伸縮，使壓電陶瓷片成為超聲波的波源。即壓電換能器可以把電能轉(zhuǎn) 換為聲能作為超聲波發(fā)生器，反過(guò)來(lái)也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，即用壓電陶瓷片作為聲頻信號(hào)接收器。因此，壓電換能器可以把電能轉(zhuǎn)換為聲能作為聲波發(fā)生器，也可把聲能轉(zhuǎn)換為電能作為聲波接收器之用。壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，可分為縱向（振動(dòng)）換能器、徑向（振動(dòng)）換能器及彎曲振動(dòng)換能器。圖4-5-4所示為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1 .聲速測(cè)試儀系統(tǒng)的連接與調(diào)試接通電源，信號(hào)源自動(dòng)工作在連續(xù)波方式，選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)，預(yù)熱15m1 no聲速測(cè)試儀和聲速測(cè)試儀信號(hào)源及雙蹤示

8、波器之間的連接如圖4- 5 - 2所示。1）測(cè)試架上的換能器與聲速測(cè)試儀信號(hào)源之間的連接信號(hào)源面板上的發(fā)射端換能器接口（S）,用于輸出相應(yīng)頻率的功率信號(hào)，接至測(cè)試架左邊的發(fā)射換能器（S1）;儀器面板上的接收端的換能器接口（S2）,請(qǐng)連接測(cè)試架右邊的接收換能器（S2）。2）示波器與聲速測(cè)試儀信號(hào)源之間的連接信號(hào)源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形 （Yi）,接至雙蹤示波器的 CH1（X）,用于觀察發(fā)射波 形；信號(hào)源面板上的接收端的接收波形 （丫2）,接至雙蹤示波器的 CH2 （Y）,用于觀察接 收波形。2 .共振頻率的調(diào)試測(cè)量只有當(dāng)換能器 S和S2發(fā)射面與接收面保持平行時(shí)才有較好的接收效果；為了得到較清晰

9、的接收波形，應(yīng)將外加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率調(diào)節(jié)到發(fā)射換能器Si諧振頻率點(diǎn)處，才能較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，提高測(cè)量精度，以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。超聲換能器工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)方法如下：各儀器都正常工作以后，首先調(diào)節(jié)聲速測(cè)試儀信號(hào)源輸出電壓（1 00mW5O0md間），調(diào)節(jié)信號(hào)頻率（在2 545 kHz）,觀察頻率調(diào)整時(shí)接 收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（34.53 7 . 5 kHz之間）電壓幅度最大，同時(shí)聲速測(cè)試 儀信號(hào)源的信號(hào)指示燈亮，此頻率即是壓電換能器 Si、S2相匹配的頻率點(diǎn)，記錄頻率V i ,改 變S和S2之間的距離，適當(dāng)選才i位置（即：至示波器屏上呈現(xiàn)出最大電壓波形幅度時(shí)的位置）,再微

10、調(diào)信號(hào)頻率，如此重復(fù)調(diào)整，再次測(cè)定工作頻率，共測(cè) 5次，取平均值一。3 .用相位比較法（李薩如圖形）測(cè)量波長(zhǎng)1）將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，連好線(xiàn)路，把聲速測(cè)試儀信號(hào)源調(diào)到最佳工作頻率f。2）調(diào)節(jié)示波器：把“掃描時(shí)間”旋扭旋至“ X-Y”方式；3）移動(dòng)S 2,依次記下示波器上波形由圖3中 （a）變?yōu)?圖4-5-3中（e）時(shí)，讀數(shù)標(biāo)尺位置 的讀數(shù)Li、L2共1 0個(gè)值；4）記下室溫t ;5）用逐差法處理數(shù)據(jù)。4 .干涉法（駐波法）測(cè)量波長(zhǎng)1）按圖4 -5-1所示連接好電路；2）將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，把聲速測(cè)試儀信號(hào)源調(diào)到共振工作頻率（根據(jù)共振特點(diǎn)觀察波幅變化進(jìn)行調(diào)節(jié)）。3）在共振頻率下，將

11、S 2移近S 1處，依次記下各振幅最大時(shí)的讀數(shù)標(biāo)尺位置L1、L2一-共10個(gè)值；4） 記下室溫 t ；5)用逐差法處理數(shù)據(jù)。【數(shù)據(jù)記錄及處理1 .駐波法t=0cV。= 331 . 4 5 m/ sf =Hz波幅最大位置l i (mm)l 1l 2l 3l4l 5波幅最大位置l i+5 (mm)l 6l 7l 8l 9l 10l ili 5(mm)lili273.15100%o2 .相位法相位變化為位置l i (mm)l 1l 2l 3l4l 5相位變化為位置l i+5 (mm)l 6l 7l 8l 9l 10li li 5 li(mm)0ct =HzsliVo 331.45m/0v0 ,127

12、3.15100%0【預(yù)習(xí)要求】1、理解駐波法和相位比較法測(cè)量聲速的基本原理。2、了解形成駐波和李薩如圖形的基本理論。3、了解函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器的調(diào)整和使用方法。4、理解測(cè)量波長(zhǎng)的駐波法和相位比較法。5、熟悉實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容。6、列出測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表。【注意事項(xiàng)】1、必須仔細(xì)閱讀教材中各儀器說(shuō)明書(shū)，熟悉各個(gè)旋鈕的功能，方可進(jìn)行調(diào)節(jié)。2、信號(hào)發(fā)射器的信號(hào)輸出幅度不要過(guò)大，避免儀器過(guò)熱而損壞。3、調(diào)節(jié)儀器旋鈕要輕緩，以免損壞。4、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(guò)程中保持不變。5、使用游標(biāo)尺測(cè)量移動(dòng)距離時(shí)，必須輕而緩慢地調(diào)節(jié)，手勿壓游標(biāo)尺。6、換能器發(fā)射面和接受面要保持相互平行。【思考題】1、駐波法測(cè)量聲速的原理和方法是什么？2、相位比較法測(cè)量