聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、.實(shí)驗(yàn)序號(hào)： 28實(shí)驗(yàn)題目：聲速測(cè)定試驗(yàn)時(shí)間： 2011 ·11 ·8實(shí)驗(yàn)室：成績(jī)：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解壓電換能器的功能，加深對(duì)駐波及振動(dòng)合成等理論知識(shí)的理解。2學(xué)習(xí)用共振干涉法、相位比較法和時(shí)差法測(cè)定超聲波的傳播速度。3通過(guò)用時(shí)差法對(duì)多種介質(zhì)的測(cè)量，了解聲納技術(shù)的原理及其重要的實(shí)用意義?！緦?shí)驗(yàn)原理】在波動(dòng)過(guò)程中波速V 、波長(zhǎng)和頻率 f 之間存在著下列關(guān)系：Vf ?，實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)測(cè)定聲波的波長(zhǎng)和頻率 f 來(lái)求得聲速 V 。常用的方法有共振干涉法與相位比較法。聲波傳播的距離 L 與傳播的時(shí)間 t 存在下列關(guān)系： L V ? t ，只要測(cè)出 L 和 t

2、就可測(cè)出聲波傳播的速度 V ，這就是時(shí)差法測(cè)量聲速的原理。1共振干涉法（駐波法）測(cè)量聲速的原理：當(dāng)二束幅度相同，方向相反的聲波相交時(shí)，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。對(duì)于波束1：F1 A ? cos( t 2 ? X /)、波束 2： 2t 2? X /，當(dāng)它們相交會(huì)F A ? cos時(shí)，疊加后的波形成波束3： F32A ? cos 2 ? X /?cost ，這里 為聲波的角頻率， t 為經(jīng)過(guò)的時(shí)間， X 為經(jīng)過(guò)的距離。由此可見(jiàn)，疊加后的聲波幅度，隨距離按cos 2 ? X / 變化。如圖28.1 所示。 壓電陶瓷換能器 S1 作為聲波發(fā)射器，它由信號(hào)源供給頻率為數(shù)千周的交流電信號(hào)，由逆壓電效應(yīng)發(fā)出

3、一平面超聲波；而換能器S2 則作為聲波的接收器，正壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)輸入示波器，我們?cè)谑静ㄆ魃峡煽吹揭唤M由聲壓信號(hào)產(chǎn)生的正弦波形。聲源S1 發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到 S2 ，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（ S1 ）嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與發(fā)射波相干涉形成駐波。我們?cè)谑静ㄆ魃嫌^察到的實(shí)際上是這兩個(gè)相干波合成后在聲波接收器S2 處的振動(dòng)情況。移動(dòng) S2 位置（即改變 S1 與 S2 之間的距離），你從示波器顯示上會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)S2 在某些位置時(shí)振幅有最小值或最大值。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

4、之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為/ 2 。為測(cè)量聲波的波長(zhǎng)，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時(shí)，緩圖 28.1共振干涉法原理圖慢的改變 S1 和 S2 之間的距離。示波器上就可以看到聲振動(dòng)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S2 移動(dòng)過(guò)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(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿的鼓輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲波測(cè)試儀信號(hào)源頻率顯示窗口直接讀出。在連續(xù)多次測(cè)量相隔半波長(zhǎng)的S2 的位置變化及聲波頻率 f 以后，我們可運(yùn)用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出聲速，用逐差法處理測(cè)量的數(shù)據(jù)。2相位法測(cè)量原理聲源 S1 發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場(chǎng)，

5、聲場(chǎng)在介質(zhì)中任一點(diǎn)的振動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的。但它和聲源的振動(dòng)相位差不隨時(shí)間變化。設(shè)聲源方程為：F1F01 ?cost距聲源X處 S2 接收到的振動(dòng)為：X202? cos(t)FFY兩處振動(dòng)的相位差：XY當(dāng)把 S1 和 S2 的信號(hào)分別輸入到示波器X 軸和 Y 軸，那么當(dāng) Xn ?即2n時(shí)，合振動(dòng)為一斜率為正的直線，當(dāng)X2n 1/2，即2n1時(shí)，合振動(dòng).為一斜率為負(fù)的直線，當(dāng) X 為其它值時(shí)，合成振動(dòng)為橢圓（如圖28.2 ）。圖 28.2接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)形成李薩如圖3時(shí)差法測(cè)量原理以上二種方法測(cè)聲速，是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察二個(gè)波的相位差，原理是正確的，但存在讀數(shù)誤差。較精確測(cè)量聲速

6、的方法是采用聲波時(shí)差法，時(shí)差法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號(hào)加到發(fā)射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過(guò)時(shí)間 t 后，到達(dá)距離為 L 處的接收換能器，那么可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度，速度為 V L / t 。圖 28.3相位法原理圖【實(shí)驗(yàn)儀器】.實(shí)驗(yàn)儀器采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的SV6 型聲速測(cè)量組合儀及SV5 型聲速測(cè)定專用信號(hào)源各一臺(tái)，其外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖28.4 。圖 28.4 SV6型聲速測(cè)量組合儀實(shí)物照片組合儀主要由儲(chǔ)液槽、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、數(shù)顯標(biāo)尺、兩副壓電換能器等組成。儲(chǔ)液槽中的壓電換能器供測(cè)量液體聲速用，另一副換能器供測(cè)量空氣及固體聲速用。作為發(fā)射超聲波用的

7、換能器S1 固定在儲(chǔ)液槽的左邊，另一只接收超聲波用的接收換能器S2 裝在可移動(dòng)滑塊上。上下兩只換能器的相對(duì)位移通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步行進(jìn)，并由數(shù)顯表頭顯示位移的距離。S1 發(fā)射換能器超聲波的正弦電壓信號(hào)由 SV5 聲速測(cè)定專用信號(hào)源供給，換能器 S2 把接收到的超聲波聲壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，用示波器觀察；時(shí)差法測(cè)量時(shí)則還要接到專用信號(hào)源進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，測(cè)得的時(shí)間值具有保持功能。實(shí)驗(yàn)時(shí)用戶需自備示波器一臺(tái)；300mm 游標(biāo)卡尺一把，用于測(cè)量固體棒的長(zhǎng)度。圖 28.5共振干涉法、相位法（上）、時(shí)差法（下）測(cè)量連線圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】.1. 聲速測(cè)量系統(tǒng)的連接聲速測(cè)量時(shí)， SV 5 專用信號(hào)源、 SV6 測(cè)試儀、示波

8、器之間，連接方法見(jiàn)圖28.5 。2. 諧振頻率的調(diào)節(jié)根據(jù)測(cè)量要求初步調(diào)節(jié)好示波器。將專用信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)頻率調(diào)節(jié)到換能器的諧振頻率，以使換能器發(fā)射出較強(qiáng)的超聲波，能較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果，方法如下：（ 1）將專用信號(hào)源的“發(fā)射波形”端接至示波器，調(diào)節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號(hào)；（2）專用信號(hào)源的上“發(fā)射強(qiáng)度”旋鈕，使其輸出電壓在20 VP P 左右，然后將換能器的接收信號(hào)接至示波器，調(diào)整信號(hào)頻率25kHz 45kHz，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（ 34.5kHz 39.5kHz 之間，因不同的換能器或介質(zhì)而異）電壓幅度最大，此頻率即是

9、壓電換能器 S1 、 S2 相匹配頻率點(diǎn)，記錄此頻率 f i 。（3）改變 S1 、 S2 的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調(diào)節(jié)正弦信號(hào)頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達(dá)到最大值。共測(cè)5 次取平均頻率 f 。3. 共振干涉法、相位法、時(shí)差法測(cè)量聲速的步驟（1）共振干涉法（駐波法）測(cè)量波長(zhǎng)將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)方式。按前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二的方法，確定最佳工作頻率。觀察示波器，找到接收波形的最大值，記錄幅度為最大時(shí)的距離，由數(shù)顯尺上直接讀出或在機(jī)械刻度上讀出；記下 S2 位置 X 0 。然后，向著同方向轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時(shí)波形的幅度會(huì)發(fā)生變化（同時(shí)在示波器上可以觀察到來(lái)自接收換能器的振動(dòng)曲線波形發(fā)

10、生相移），逐個(gè)記下振幅最大的 X1 ， X 2 ， X 9 共 10 個(gè)點(diǎn)，單次測(cè)量的波長(zhǎng)i2 ? X iX i 1。用逐差法處理這十個(gè)數(shù)據(jù)，即可得到波長(zhǎng)。（2）相位比較法（李薩如圖法）測(cè)量波長(zhǎng)將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式。確定最佳工作頻率，單蹤示波器接收波接到“ Y ”，發(fā)射波接到“EXT ”外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“CH1”，發(fā)射波接到“ CH 2 ”，打到“ XY ” 顯示方式，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記下S2 的位置 X 0 ，再向前或者向后（必須是一個(gè)方向）移動(dòng)距離，使觀察到的波形又回到前面所說(shuō)的特定角度的斜線，這時(shí)來(lái)自接收換能

11、器S2 的振動(dòng)波形發(fā)生了2 相移。依次記下示波器屏上斜率負(fù)、正變化的直線出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)位置X 1 ， X 2 ，X 9 。單次波長(zhǎng)i2 ? X iX i 1 。多次測(cè)定用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長(zhǎng)。.3）時(shí)差法測(cè)量聲速 空氣介質(zhì)測(cè)量空氣聲速時(shí) , 將專用信號(hào)源上 “聲速傳播介質(zhì) ” 置于 “空氣 ”位置 , 發(fā)射換能器（帶有轉(zhuǎn)軸）用緊定螺釘固定，然后將話筒插頭插入接線盒中的插座中。將測(cè)試方法設(shè)置到脈沖波方式。將 S1 和 S2 之間的距離調(diào)到一定距離（ 50mm ）。開啟數(shù)顯表頭電源，并置 0 ，再調(diào)節(jié)接收增益，使示波器上顯示的接收波信號(hào)幅度在 300 400mV 左右（峰 -峰值），以使計(jì)時(shí)器

12、工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值 L i 1 、 ti 1 ( 時(shí)間由聲速測(cè)試儀信號(hào)源時(shí)間顯示窗口直接讀出 )；移動(dòng) S2 ，記錄下這時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值L i 、 t i 。則聲速V1 ( L i L i 1 ) /( t i ti 1 ) 。記錄介質(zhì)溫度 t ( C) 。需要說(shuō)明的是，由于聲波的衰減，移動(dòng)換能器使測(cè)量距離變大（這時(shí)時(shí)間也變大）時(shí)，如果測(cè)量時(shí)間值出現(xiàn)跳變，則應(yīng)順時(shí)針?lè)较蛭⒄{(diào)“接收放大”旋鈕，以補(bǔ)償信號(hào)的衰減；反之測(cè)量距離變小時(shí)，如果測(cè)量時(shí)間值出現(xiàn)跳變，則應(yīng)逆時(shí)針?lè)较蛭⒄{(diào)“接收放大”旋鈕，以使計(jì)時(shí)器能正確計(jì)時(shí)。 液體介質(zhì)當(dāng)使用液體為介質(zhì)測(cè)試聲速時(shí)，先小心將

13、金屬測(cè)試架從儲(chǔ)液槽中取出，取出時(shí)應(yīng)用手指稍稍抵住儲(chǔ)液槽，再向上取出金屬測(cè)試架。然后向儲(chǔ)液槽注入液體，直至液面線處，但不要超過(guò)液面線。注意：在注入液體時(shí)，不能將液體淋在數(shù)顯表頭上，然后將金屬測(cè)試架裝回儲(chǔ)液槽。專用信號(hào)源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“液體”位置，換能器的連接線接至測(cè)試架上的“液體”專用插座上，即可進(jìn)行測(cè)試，步驟與1 相同。記錄介質(zhì)溫度t ( C)。 固體介質(zhì)： ( 只適合用時(shí)差法測(cè)量)測(cè)量非金屬（有機(jī)玻璃棒）、金屬（黃銅棒）固體介質(zhì)時(shí)，可按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：a. 將專用信號(hào)源上的“測(cè)試方法”置于“脈沖波”位置，“聲速傳播介質(zhì)”按測(cè)試材質(zhì)的不同，置于“非金屬”或“金屬”位置。b. 先拔出發(fā)

14、射換能器尾部的連接插頭，再將待測(cè)的測(cè)試棒的一端面小螺柱旋入接收換能器中心螺孔內(nèi)，再將另一端面的小螺柱旋入能旋轉(zhuǎn)的發(fā)射換能器上，使固體棒的兩端面與兩換能器的平面可靠、緊密接觸，注意：旋緊時(shí)，應(yīng)用力均勻，不要用力過(guò)猛，以免損壞螺紋，擰緊程度要求兩只換能器端面與被測(cè)棒兩端緊密接觸即可。調(diào)換測(cè)試棒時(shí)，應(yīng)先拔出發(fā)射換能器尾部的連接插頭，然后旋出發(fā)射換能器的一端，再旋出接收換能器的一端。c. 把發(fā)射換能器尾部的連接插頭插入接線盒的插座中，按圖28. 5(b) 接線，即可開始測(cè)量。d. 記錄信號(hào)源的時(shí)間讀數(shù)，單位為s 。測(cè)試棒的長(zhǎng)度可用游標(biāo)卡尺測(cè)量得到并記錄。.e. 用以上方法調(diào)換第二長(zhǎng)度及第三長(zhǎng)度被測(cè)棒，

15、重新測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。f. 用逐差法處理數(shù)據(jù)，根據(jù)不同被測(cè)棒的長(zhǎng)度差和測(cè)得的時(shí)間差計(jì)算出被測(cè)棒的聲速。【數(shù)據(jù)處理】1. 共振平率： 36.9KHz駐波法 - 空氣介質(zhì)編號(hào)12345振幅最大點(diǎn)66.7871.3575.9180.6185.21（ mm）67891089.7994.4899.22103.68108.43水介質(zhì)編號(hào)12345振幅最大點(diǎn)84.26106.83127.09149.01170.77（mm ）678910193.97216.41230.24239.48247.25李薩如圖法 - 空氣介質(zhì)編號(hào)12345圖形重合點(diǎn)62.7872.1181.8390.89100.19（mm ）678

16、910109.76119.13128.38137.51146.31水介質(zhì)編號(hào)12345圖形重合點(diǎn)18.9062.499.10141.78184.08（mm ）678910229.06272.08314.08355.08395.432以空氣介質(zhì)為例，計(jì)算出共振干涉法和相位法測(cè)得的波長(zhǎng)平均值，及其標(biāo)準(zhǔn)偏差S ，同時(shí)考慮儀器的示值讀數(shù)誤差為0.01mm 。經(jīng)計(jì)算可得波長(zhǎng)的測(cè)量結(jié)果。.干涉法空氣介質(zhì)： =2* 【（ 89.79-66.78 ） +（94.48-71.45 ）+（99.22-75.91 ） +（103.68-80.61 ）+（108.43-85.21 ）】 /25=9.26mm52S =

17、 （ i - ） / (5 1) 0.05mmi考慮儀器讀數(shù)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，9.26 0.06mm相位法空氣介質(zhì)： =(109.76-62.78)+(119.13-72.11)+(128.38-81.83)+(137.51-90.89)+(146.31-100.19)/25=9.33mm5S =21)0.07mm（ i - ） / (5i考慮儀器讀數(shù)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，9.33 0.08mm3按理論值公式 VSV 0 ?T。，算出理論值 VST0式中 V0331.45m / s 為 T0273.15K時(shí)的聲速， Tt273.15 K 。t=15 T15+273.15Vs=VoTo=331.45*2

18、73.15=340.43m/s4計(jì)算出通過(guò)二種方法測(cè)量的V 以及V 值，其中VV VS。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值比較，計(jì)算百分比誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因。可寫為在室溫為 15C 時(shí)，用共振干涉法（相位法）測(cè)得超聲波在空氣中的傳播速度為：V=341.701.85m/ sV= V =0.37% （駐波法）VsV=344.282.58m / s= VV =1.1% （相位法）Vs5列表記錄用時(shí)差法測(cè)量非金屬棒及金屬棒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（ 1） 三根相同材質(zhì)，但不同長(zhǎng)度待測(cè)棒的長(zhǎng)度金屬.棒長(zhǎng)度（ mm ）時(shí)間（s）聲速（ m/s ）L1167762197.4L2208872390.8L3247992494.9非金屬棒長(zhǎng)度 (mm0時(shí)間（s）聲速（ m/s ）L11801081666.7L22201371605.8【思考題】1 聲速測(cè)量中共振干涉法、相位法、時(shí)差法有何異同？從波源上說(shuō)，干涉法、相位法用的是連續(xù)波，時(shí)差法用的是脈沖波。從測(cè)量?jī)x器上說(shuō)，干涉法、相位法要用示波器、刻尺和頻率計(jì)，時(shí)差法用的是計(jì)時(shí)儀器和刻尺。從原理上說(shuō)，干涉法、相位法原理相同，均是發(fā)射波和返回波形成駐波（在力學(xué)里對(duì)應(yīng)的稱共振），測(cè)量波腹到波腹