三種測試方法測試聲速

1、.三種測試方法測試聲速一、實驗?zāi)康恼莆諟y量聲速的幾種方法實際測量聲速二、實驗儀器SV-DH系列聲速測試儀為觀察、研究聲波在不同介質(zhì)中傳播現(xiàn)象，測量這些介質(zhì)中聲波傳播速度的專用儀器。它們都由聲速專用測試架及專用信號源二部分組成。儀器可用于大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗。SV-DH系列聲速測試儀不但覆蓋了基礎(chǔ)物理聲速實驗中常用的二種測試方法，而且，在上述常規(guī)測量方法基礎(chǔ)上還可以用工程中實際使用的聲速測量方法時差法進(jìn)行測量。在時差法工作狀態(tài)下，使用示波器，可以非常明顯、直觀地觀察聲波在傳播過程中經(jīng)過多次反射、疊加而產(chǎn)生的混響波形。型號與組成SV-DH系列聲速測試儀是由聲速測試儀（測試架）和聲速測試儀信號源二個部分

2、組成。下列聲速測試儀都可增加固體聲速測量裝置，用于固體聲速的測量。對于聲速測試架，有以下型號：SV-DH-3型聲速測定儀（支架式、千分尺讀數(shù)）；SV-DH-3A型聲速測定儀（支架式、數(shù)顯容柵尺讀數(shù)）；SV-DH-5型聲速測定儀（液槽式、千分尺讀數(shù)）；SV-DH-5A型聲速測定儀（液槽式、數(shù)顯容柵尺讀數(shù)）；SV-DH-7型聲速測定儀（液槽可脫卸、千分尺讀數(shù)）。SV-DH-7A型聲速測定儀（液槽可脫卸、數(shù)顯容柵尺讀數(shù)）。對于信號源，有以下型號：SVX-3型聲速測定信號源（頻率范圍20kHz45kHz，帶時差法測量脈沖信號源）；SVX-5型聲速測定信號源（頻率范圍20kHz45kHz，帶時差法測量脈

3、沖信號源）；SVX-7型通用信號源（頻率范圍50Hz50KHz、帶時差法測量脈沖信號源）；圖1列出SVX-5、SVX-7聲速測試儀信號源面板，圖2為聲速測試儀外形示意圖。圖1 SVX-5、SVX-7聲速測試儀信號源面板調(diào)節(jié)旋鈕的作用：信號頻率：用于調(diào)節(jié)輸出信號的頻率；發(fā)射強(qiáng)度：用于調(diào)節(jié)輸出信號電功率（輸出電壓）；接收增益：用于調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部的接收增益。圖2 聲速測試架外形示意圖主要技術(shù)參數(shù)1. SV-DH聲速測試儀1.1 環(huán)境適應(yīng)性：工作溫度1035；相對濕度2575%。1.2 抗電強(qiáng)度：儀器能耐受50Hz正弦波500V電壓1min耐壓試驗。1.3 配對壓電陶瓷換能器：諧振頻率：353kHz；可

4、承受的連續(xù)電功率不小于15W。1.4 兩換能器之間測試距離：50280mm(支架式）、 50350mm（水槽式）1.5 外形：測試架外形尺寸：480mm140mm152mm（支架式） 530mm140mm160mm（水槽式）2. SVX-3型聲速測試儀信號源2.1 功率信號源2.1.1 頻率范圍：25kHz45kHz2.1.2 最大輸出電壓：15Vp-p2.1.3 最大輸出功率：5W2.1.4 頻率顯示：5位LED數(shù)字顯示2.2 脈沖調(diào)制信號源2.2.1 信號頻率：36.5kHz2.2.2 脈沖寬度：200s2.2.3 脈沖周期：8ms2.3 計數(shù)定時器2.3.1 計數(shù)定時范圍：1s1s2.3

5、.2 分辨率：1s2.4 儀器外形尺寸：290mm240mm120mm3. SVX-5型綜合聲速測試儀信號源3.1 空氣和液體切換測量3.2 其他同SVX-3型聲速測試儀信號源4. SVX-7型通用信號源4.1 空氣、液體和固體介質(zhì)切換測量4.2 頻率范圍：50500Hz，5005kHz，5kHz50kHz4.3 其他同SVX-3型聲速測試儀信號源三、實驗原理1.超聲波與壓電陶瓷換能器頻率20Hz-20kHz的機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中傳播形成聲波，高于20kHz稱為超聲波，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點，聲速實驗所采用的聲波頻率一般都在2060kHz之間

6、。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。圖3 縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，分為縱向（振動）換能器、徑向（振動）換能器及彎曲振動換能器。聲速教學(xué)實驗中所用的大多數(shù)采用縱向換能器。圖3為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。2.共振干涉法（駐波法）測量聲速假設(shè)在無限聲場中，僅有一個點聲源S1（發(fā)射換能器）和一個接收平面（接收換能器S2）。當(dāng)點聲源發(fā)出聲波后，在此聲場中只有一個反射面（即接收換能器平面），并且只產(chǎn)生一次反射。在上述假設(shè)條件下，發(fā)射波1=Acos（t+2x /)。在S2處產(chǎn)生反射，反射波2=A1cos（t+2x /)，信號相位與1相反，幅度A1A

7、。1與2在反射平面相交疊加，合成波束33=1+2=(A1+A2）cos（t-2x /)+A1cos（t+2x /) =A1cos(2x /)cost+A2cos（t - 2x /)由此可見，合成后的波束3在幅度上，具有隨cos(2x /)呈周期變化的特性，在相位上，具有隨(2x /)呈周期變化的特性。圖4所示波形顯示了疊加后的聲波幅度，隨距離按cos(2x /)變化的特征。圖4 換能器間距與合成幅度實驗裝置按圖7所示，圖中S1和S2為壓電陶瓷換能器。S1作為聲波發(fā)射器，它由信號源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號，由逆壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而S2則作為聲波的接收器，壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成

8、電信號。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號產(chǎn)生的正弦波形。由于S2在接收聲波的同時還能反射一部分超聲波，接收的聲波、發(fā)射的聲波振幅雖有差異，但二者周期相同且在同一線上沿相反方向傳播，二者在S1和S2區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了波的干涉，形成駐波。我們在示波器上觀察到的實際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器S2處的振動情況。移動S2位置（即改變S1和S2之間的距離），你從示波器顯示上會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)S2在某此位置時振幅有最小值。根據(jù)波的干涉理論可以知道：任何二相鄰的振幅最大值的位置之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為/ 2。為了測量聲波的波長，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時，緩慢的改變S1

9、和S2之間的距離。示波器上就可以看到聲振動幅值不斷地由最大變到最小再變到最大，二相鄰的振幅最大之間的距離為/2；S2移動過的距離亦為/2。超聲換能器S2至S1之間的距離的改變可通過轉(zhuǎn)動鼓輪來實現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲速測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀出。圖5 用李薩如圖觀察相位變化在連續(xù)多次測量相隔半波長的S2的位置變化及聲波頻率f以后，我們可運用測量數(shù)據(jù)計算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。3. 相位法測量原理由前述可知入射波1與反射波2疊加，形成波束3即3 =A1cos(2x /)cost+A2cos（t - 2x /)即對于波束：1 =Acos（t - 2x /)由此可見，在經(jīng)過x距離后，

10、接收到的余弦波與原來位置處的相位差（相移）為= 2 x /。如圖5所示。因此能通過示波器，用李薩如圖法觀察測出聲波的波長。4. 時差法測量原理連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后由發(fā)射換能器發(fā)射至被測介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過t時間后，到達(dá)L距離處的接收換能器。由運動定律可知，聲波在介質(zhì)中傳播的速度可由以下公式求出：速度V=距離L/時間t 圖6 發(fā)射波與接收波通過測量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時間t ,就可以計算出當(dāng)前介質(zhì)下的聲波傳播速度。四、實驗步驟圖7 駐波法、相位法連線圖1.儀器在使用之前，加電開機(jī)預(yù)熱15min。在接通市電后，自動工作在連續(xù)波方式，選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)。2. 駐波法測量聲

11、速。2.1 測量裝置的連接如圖7所示，信號源面板上的發(fā)射端換能器接口（S1），用于輸出一定頻率的功率信號，請接至測試架的發(fā)射換能器（S1）；信號源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形Y1，請接至雙蹤示波器的CH1（Y1），用于觀察發(fā)射波形；接收換能器（S2）的輸出接至示波器的CH2（Y2）2.2 測定壓電陶瓷換能器的最佳工作點只有當(dāng)換能器S1的發(fā)射面和S2的接收面保持平行時才有較好的接收效果；為了得到較清晰的接收波形，應(yīng)將外加的驅(qū)動信號頻率調(diào)節(jié)到換能器S1、S2的諧振頻率點處時，才能較好的進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換（實際上有一個小的通頻帶），以得到較好的實驗效果。按照調(diào)節(jié)到壓電陶瓷換能器諧振點處的信號頻率，

12、估計一下示波器的掃描時基t/div，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，使在示波器上獲得穩(wěn)定波形。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)發(fā)射強(qiáng)度旋鈕，使聲速測試儀信號源輸出合適的電壓（810VP-P之間），再調(diào)整信號頻率（在2545kHz），選擇合適的示波器通道增益（一般0.2V1V/div之間的位置），觀察頻率調(diào)整時接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（34.537.5kHz之間）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配頻率點，記錄頻率FN，改變S1和S2間的距離，適當(dāng)選擇位置，重新調(diào)整，再次測定工作頻率，共測5次，取平均頻率f。2.3 測量步驟將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，合適選

13、擇相應(yīng)得測試介質(zhì)。完成前述2.1、2.2步驟后，觀察示波器，找到接收波形的最大值。然后轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時波形的幅度會發(fā)生變化，記錄下幅度為最大時的距離Li-1，距離由數(shù)顯尺（數(shù)顯尺原理說明見附錄2）或在機(jī)械刻度上讀出，再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時，記錄下此時的距離Li。即有：波長i=2Li -Li-1，多次測定用逐差法處理數(shù)據(jù)。3.相位法/李薩如圖法測量波長的步驟將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，合適選擇相應(yīng)的測試介質(zhì)。完成前述2.1、2.2步驟后，將示波器打到“X-Y”方式，并選擇合適的通道增益。轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記錄下此時的距

14、離Li-1；距離由數(shù)顯尺（數(shù)顯尺原理說明見附錄2）或機(jī)械刻度尺上讀出，再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，記錄下此時的距離Li。即有：波長i=Li -Li-14. 干涉法/相位法測量數(shù)據(jù)處理已知波長i和頻率f i，（頻率由聲速測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀出。）則聲速Ci=if i。因聲速還與介質(zhì)溫度有關(guān)，所以必要時請記下介質(zhì)溫度t。5. 時差法測量聲速步驟圖 8 時差法測量聲速接線圖按圖8所示進(jìn)行接線。將測試方法設(shè)置到脈沖波方式，并選擇相應(yīng)的測試介質(zhì)。將S1和S2之間的距離調(diào)到一定距離（50mm），再調(diào)節(jié)接收增益，使顯示的時間差值讀數(shù)穩(wěn)定，

15、此時儀器內(nèi)置的計時器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和信號源計時器顯示的時間值Li-1、ti-1。移動S2，如果計時器讀數(shù)有跳字，則微調(diào)（距離增大時，順時針調(diào)節(jié)；距離減小時，逆時針調(diào)節(jié)）接收增益，使計時器讀數(shù)連續(xù)準(zhǔn)確變化。記錄下這時的距離值和顯示的時間值Li、ti。則聲速Ci=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。當(dāng)使用液體為介質(zhì)測試聲速時，先在測試槽中注入液體，直至把換能器完全浸沒，但不能超過液面線。然后將信號源面板上的介質(zhì)選擇鍵切換至“液體”，即可進(jìn)行測試，步驟相同。6*. 固體介質(zhì)中的聲速測量在固體中傳播的聲波是很復(fù)雜的，它包括縱波、橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等，而且各種聲速都與

16、固體棒的形狀有關(guān)。金屬棒一般為各向異性結(jié)晶體，沿任何方向可有三種波傳播，只在特殊情況下為縱波。固體介質(zhì)中的聲速測量需另配專用的SVG固體測量裝置，用時差法進(jìn)行測量。實驗提供兩種測試介質(zhì)：塑料棒和鋁棒。每種材料有長、中、短三根樣品，塑料棒的長度分別為160mm、120mm、80mm；金屬棒的長度分別為180mm、130mm、80mm。對于每種材料的固體棒，只需測兩根樣品，即可按上面的方法算出聲速： Ci=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。測量時，按圖8接線。為了得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，測量時需要在固體棒兩端面上涂上適量的耦合劑，使其接觸良好。將接收增益調(diào)到適當(dāng)位置（一般為最大位置），以計時器不

17、跳字為好。介質(zhì)選擇為“固體”。將固體棒放在專用支架上，轉(zhuǎn)動鼓輪，使兩個換能器之間的距離能夠放下固體棒，再轉(zhuǎn)動鼓輪，使兩換能器的端面與固體棒緊密接觸并對準(zhǔn)。提示：金屬棒的計時讀數(shù)在3355s之間，塑料棒的計時讀數(shù)在55110s為正常值，跳字或者大于這個范圍的一般是沒有接觸好。五、實驗數(shù)據(jù)1、自擬表格記錄所有的實驗數(shù)據(jù)，表格要便于用逐差法求相應(yīng)位置的差值和計算。2、以空氣介質(zhì)為例，計算出共振干涉法和相位法測得的波長平均值，及其標(biāo)準(zhǔn)偏差S，同時考慮儀器的示值讀數(shù)誤差為0.01mm。經(jīng)計算可得波長的測量結(jié)果=。3、按理論值公式，算出理論值VS。式中V0=331.45m/s為T0=273.15K時的聲速

18、，T=(t+273.15)K。或按經(jīng)驗公式V=（331.45+0.59t）m/s，計算V。t為介質(zhì)溫度（）。4、計算出通過二種方法測量的V以及V值，其中V=V-VS。將實驗結(jié)果與理論值比較，計算百分比誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因?？蓪憺樵谑覝貫?時，用共振干涉法（相位法）測得超聲波在空氣中的傳播速度為V= m/s，= 5、列表記錄用時差法測量塑料棒及金屬棒的實驗數(shù)據(jù)。（1） 三根相同材質(zhì)，但不同長度待測棒的長度。（2） 每根測試棒所測得相對應(yīng)的時間。（3）用逐差法求相應(yīng)的差值，然后計算出聲速，并與理論聲速傳播測量參數(shù)進(jìn)行比較，并計算百分誤差。6、聲速測量值與公認(rèn)值比較（1）、空氣中聲速，按理論值公式，求得VS。式中V0=331.45m/s為T0=273.15K時的聲速，T=(t+273.15)K?；虬唇?jīng)驗公式V=（331.45+0.59t）m/s，計算V。t為介質(zhì)溫度（）。（2）液體中的聲速介 質(zhì)溫度（） 聲波速度（ms）海 水普 通 水菜 籽 油變壓器油17 1510-155025 1497308 1450325 1425（3）固體中的縱波聲速： 鋁：C棒=5150m/s， C塊=6300m/s 銅：C棒=3700m/s， C塊=5000m/s 鋼：C棒=5050m/