《聲速的測(cè)量》ppt課件

1、超聲聲速測(cè)定超聲聲速測(cè)定太原理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心太原理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心一、聲波背景一、聲波背景二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)?zāi)康娜?shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)儀器四、實(shí)驗(yàn)儀器五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容六、數(shù)據(jù)處置六、數(shù)據(jù)處置一、聲波背景一、聲波背景1、聲音與我們的生活、聲音與我們的生活2、聲速丈量的目的、聲速丈量的目的 3、聲速丈量的開展、聲速丈量的開展 自然界中充溢了各種各樣的聲音：收音機(jī)里播放的悅耳音樂聲，飛機(jī)擦過長(zhǎng)空時(shí)擾人的噪聲，狂風(fēng)的吼叫聲，海禱 的怒吼聲，爽朗的歡笑聲，歡樂的交談聲，等等，在日常生 活中處處都可以聽到?？梢娐曇襞c我們的生活是親密相關(guān)的。 人類對(duì)聲學(xué)的研討最早可以追溯到公元前5

2、80年埃及人畢達(dá) 哥拉斯。 而古希臘人亞里士多德接觸到聲學(xué)實(shí)際，他持有關(guān)于空氣的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)構(gòu)成聲音的正確思想，并且他還知道，假設(shè)管的長(zhǎng)度加倍，那么管內(nèi)的振動(dòng)就要花兩倍的時(shí)間。1.聲音與我們的生活 牛頓在他的牛頓在他的中對(duì)聲速作了實(shí)際推導(dǎo)，但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與中對(duì)聲速作了實(shí)際推導(dǎo)，但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與此并不相符，牛頓推測(cè)了實(shí)驗(yàn)值和實(shí)際值之間不一致的緣由。但此并不相符，牛頓推測(cè)了實(shí)驗(yàn)值和實(shí)際值之間不一致的緣由。但是，真正的解釋是在過了一個(gè)世紀(jì)之后由拉普拉斯是，真正的解釋是在過了一個(gè)世紀(jì)之后由拉普拉斯(17491827)做做的。的。 牛頓沒有思索到由于緊縮變熱和稀疏致冷引起的彈性變化。牛頓沒有思索到由于緊縮變熱和

3、稀疏致冷引起的彈性變化。 今天人們對(duì)聲音的研討，從語音聲學(xué)、生理聲學(xué)、建筑聲學(xué)、今天人們對(duì)聲音的研討，從語音聲學(xué)、生理聲學(xué)、建筑聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、水聲學(xué)、超聲學(xué)等等，普及各個(gè)領(lǐng)域。環(huán)境聲學(xué)、水聲學(xué)、超聲學(xué)等等，普及各個(gè)領(lǐng)域。 特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在0.0001赫茲至赫茲至20赫茲之間的波。雖然我們的耳朵聽不見它，在我們周圍由自然赫茲之間的波。雖然我們的耳朵聽不見它，在我們周圍由自然和人工產(chǎn)生的次聲波也很多。和人工產(chǎn)生的次聲波也很多。 2 2、聲速丈量的目的、聲速丈量的目的 聲學(xué)丈量和分析是人們認(rèn)識(shí)聲學(xué)問題本質(zhì)的一種手段。聲學(xué)丈量和分析

4、是人們認(rèn)識(shí)聲學(xué)問題本質(zhì)的一種手段。經(jīng)過必要的丈量和分析可以對(duì)聲學(xué)有定量概念，從而了解經(jīng)過必要的丈量和分析可以對(duì)聲學(xué)有定量概念，從而了解其規(guī)律性。其規(guī)律性。 聲學(xué)丈量通常是指先用電聲聲學(xué)丈量通常是指先用電聲( (或機(jī)電或機(jī)電) )換能器把聲波換能器把聲波( (或振或振動(dòng)動(dòng)) )轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，然后用電子儀表放大到一定的電轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，然后用電子儀表放大到一定的電壓，再進(jìn)展丈量與分析的技術(shù)以及有關(guān)聲學(xué)儀器的任務(wù)原壓，再進(jìn)展丈量與分析的技術(shù)以及有關(guān)聲學(xué)儀器的任務(wù)原理理 3、聲速丈量的開展 二十世紀(jì)以來，聲學(xué)丈量技術(shù)開展很快目前二十世紀(jì)以來，聲學(xué)丈量技術(shù)開展很快目前 聲學(xué)儀器有較大開展，并具

5、有高保真度，如寬的頻聲學(xué)儀器有較大開展，并具有高保真度，如寬的頻 范圍和動(dòng)態(tài)范圍，小的非線性畸變和良好的瞬態(tài)響范圍和動(dòng)態(tài)范圍，小的非線性畸變和良好的瞬態(tài)響 應(yīng)等。應(yīng)等。 過去，丈量聲波和振動(dòng)的儀表都是模擬式電子儀過去，丈量聲波和振動(dòng)的儀表都是模擬式電子儀表，丈量的速度和準(zhǔn)確度遭到一定的限制。六十年代表，丈量的速度和準(zhǔn)確度遭到一定的限制。六十年代初。出現(xiàn)了數(shù)字式儀表，直接采用數(shù)字顯示，提高了初。出現(xiàn)了數(shù)字式儀表，直接采用數(shù)字顯示，提高了丈量時(shí)讀數(shù)的準(zhǔn)確度。丈量時(shí)讀數(shù)的準(zhǔn)確度。 由于計(jì)算技術(shù)和高質(zhì)量、低由于計(jì)算技術(shù)和高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路的開展，人們已能用由微處置功耗的大規(guī)模集成電路的開展

6、，人們已能用由微處置機(jī)控制的自動(dòng)丈量替代逐點(diǎn)丈量，使許多需求事后計(jì)機(jī)控制的自動(dòng)丈量替代逐點(diǎn)丈量，使許多需求事后計(jì)算的聲學(xué)丈量和分析任務(wù)可以用微計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)算。算的聲學(xué)丈量和分析任務(wù)可以用微計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)算。 以微處置機(jī)為中心的丈量?jī)x器，不但實(shí)現(xiàn)了小型化、以微處置機(jī)為中心的丈量?jī)x器，不但實(shí)現(xiàn)了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法從而實(shí)現(xiàn)了多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)分析。同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的聲學(xué)丈量和分析方法，實(shí)時(shí)分析。同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的聲學(xué)丈量和分析方法，例照實(shí)時(shí)頻譜分析，聲強(qiáng)丈量，聲源鑒別，瞬態(tài)信號(hào)分例照實(shí)時(shí)頻譜分析，聲強(qiáng)丈量，聲源鑒別，瞬態(tài)信號(hào)分析，相關(guān)分

7、析等。析，相關(guān)分析等。 今后聲學(xué)丈量的義務(wù)是采用新的丈量技術(shù)，提出新今后聲學(xué)丈量的義務(wù)是采用新的丈量技術(shù)，提出新的丈量力法，運(yùn)用自動(dòng)化數(shù)字式儀器，以提高丈量的淮的丈量力法，運(yùn)用自動(dòng)化數(shù)字式儀器，以提高丈量的淮確度和速度。確度和速度。 回想歷史，可以看到，在開展經(jīng)回想歷史，可以看到，在開展經(jīng)典聲學(xué)的典聲學(xué)的 過程中，許多研討任務(wù)是直過程中，許多研討任務(wù)是直接用人耳來聽聲音的。直到本世紀(jì)，開展接用人耳來聽聲音的。直到本世紀(jì)，開展了無線電電子學(xué)，才使聲波的丈量采用了了無線電電子學(xué)，才使聲波的丈量采用了電聲換能器和電子丈量?jī)x器。電聲換能器和電子丈量?jī)x器。 高性能的丈量傳聲器、頻譜分祈儀和聲級(jí)記高性能的

8、丈量傳聲器、頻譜分祈儀和聲級(jí)記 錄器實(shí)現(xiàn)了聲信號(hào)的聲壓級(jí)丈量，頻譜分析和聲錄器實(shí)現(xiàn)了聲信號(hào)的聲壓級(jí)丈量，頻譜分析和聲情號(hào)特性的自動(dòng)記錄；從而可以丈量各種不同頻情號(hào)特性的自動(dòng)記錄；從而可以丈量各種不同頻率、不同強(qiáng)度和波形的聲波，擴(kuò)展了聲學(xué)的研討率、不同強(qiáng)度和波形的聲波，擴(kuò)展了聲學(xué)的研討范圍，促進(jìn)了近代聲學(xué)的開展。可以期望，計(jì)算范圍，促進(jìn)了近代聲學(xué)的開展?？梢云谕?，計(jì)算技術(shù)和大規(guī)模集成電路的開展，微計(jì)算機(jī)和微處技術(shù)和大規(guī)模集成電路的開展，微計(jì)算機(jī)和微處置機(jī)在聲學(xué)任務(wù)中的運(yùn)用，必將促使近代聲學(xué)進(jìn)置機(jī)在聲學(xué)任務(wù)中的運(yùn)用，必將促使近代聲學(xué)進(jìn)一步開展一步開展 二、實(shí)二、實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 目目 的的 1、學(xué)慣用共振

9、干涉法和相位比較法測(cè)定空氣、學(xué)慣用共振干涉法和相位比較法測(cè)定空氣 中的聲速。加深對(duì)共振、振動(dòng)合成、波的中的聲速。加深對(duì)共振、振動(dòng)合成、波的 干涉等實(shí)際干涉等實(shí)際2、了解壓電換能器的功能及超聲、了解壓電換能器的功能及超聲波波 的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接受原的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接受原 理理3、熟習(xí)低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器、模、熟習(xí)低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器、模擬擬 示波器的運(yùn)用運(yùn)用方法。示波器的運(yùn)用運(yùn)用方法。聲速的特點(diǎn)聲速的特點(diǎn) 頻率在頻率在2020000Hz的聲振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中所激起的縱波稱聲的聲振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中所激起的縱波稱聲波。聲波是一種機(jī)械波。頻率超越波。聲波是一種機(jī)械波。頻率超越20000Hz的聲波稱為超

10、聲波。聲的聲波稱為超聲波。聲波的頻率、波長(zhǎng)、速度、相位等是聲波的重要特性。聲波在空氣中波的頻率、波長(zhǎng)、速度、相位等是聲波的重要特性。聲波在空氣中的傳播速度與聲波的頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)，因此有的傳播速度與聲波的頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)，因此有RTv-絕熱系數(shù)，絕熱系數(shù)，R-摩爾氣體常數(shù)，摩爾氣體常數(shù)，-空氣分子的摩爾質(zhì)量，空氣分子的摩爾質(zhì)量，T-絕對(duì)溫絕對(duì)溫度度三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理15.273t15.27345.331tv 由此可見，氣體中的聲速由此可見，氣體中的聲速 v 和溫度和溫度 T 有關(guān)，還與比熱比有關(guān)，還與比熱比 及摩及摩爾質(zhì)量爾質(zhì)量 有關(guān)，后兩個(gè)要素與氣體成分

11、有關(guān)。因此，根據(jù)測(cè)定出的有關(guān)，后兩個(gè)要素與氣體成分有關(guān)。因此，根據(jù)測(cè)定出的聲速還可以推算出氣體的一些參量。聲速還可以推算出氣體的一些參量。 在規(guī)范形狀下，在規(guī)范形狀下，0 oC時(shí)，聲速為時(shí)，聲速為 vo331.45ms，顯然在，顯然在 t oC時(shí)，枯燥空氣中聲速的實(shí)際值應(yīng)為時(shí)，枯燥空氣中聲速的實(shí)際值應(yīng)為 由此我們也可以想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是不同由此我們也可以想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是不同的的 。 本實(shí)驗(yàn)是對(duì)超聲波波速的丈量。丈量聲速最簡(jiǎn)單、本實(shí)驗(yàn)是對(duì)超聲波波速的丈量。丈量聲速最簡(jiǎn)單、最有效的方法之一是利用聲速最有效的方法之一是利用聲速v 、振動(dòng)頻率、振動(dòng)頻率 f 和波長(zhǎng)和波

12、長(zhǎng) 之之間的根本關(guān)系，即間的根本關(guān)系，即 v=f 測(cè)出聲振動(dòng)頻率測(cè)出聲振動(dòng)頻率 f 和聲波的波長(zhǎng)和聲波的波長(zhǎng) ，就可算出聲波的波，就可算出聲波的波速速 v。當(dāng)然這僅僅是一種最簡(jiǎn)便的近似丈量。當(dāng)然這僅僅是一種最簡(jiǎn)便的近似丈量。 實(shí)驗(yàn)室中常利用，用共振干涉法、相位比較法測(cè)定波實(shí)驗(yàn)室中常利用，用共振干涉法、相位比較法測(cè)定波長(zhǎng)長(zhǎng) ，由函數(shù)發(fā)生器或示波器直接讀出頻率，由函數(shù)發(fā)生器或示波器直接讀出頻率 f。 丈量方法丈量方法共振干涉法駐波法共振干涉法駐波法S1發(fā)射S2反射干涉而成駐波LS2外表聲壓與其位置的關(guān)系2232Lp波腹波節(jié)波腹處的駐波波腹處的駐波-80-80-60-60-40-40-20-200

13、020204040606080800 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1干涉干涉發(fā)射發(fā)射反射反射波節(jié)處的駐波波節(jié)處的駐波-60-60-40-40-20-200 02020404060600 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1干涉干涉發(fā)射發(fā)射反射反射結(jié)論：每?jī)蓚€(gè)相臨波腹波節(jié)間的間隔為2 s1和和s2為壓電陶瓷超聲換能器，為壓電陶瓷超聲換能器，s1作為超聲源發(fā)射頭，作為超聲源發(fā)射頭，信號(hào)源發(fā)出的正弦電壓信號(hào)接到換能器信號(hào)源發(fā)出的正弦電壓信號(hào)接到換能器s1后，即能發(fā)出一平面聲后，即能發(fā)出一平面聲波。波。s2作為超聲波的接納頭，接納的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入示

14、作為超聲波的接納頭，接納的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入示波器察看，波器察看，s2在接納超聲波的同時(shí)還反射一部分超聲波。這樣，在接納超聲波的同時(shí)還反射一部分超聲波。這樣，由由s1發(fā)出的超聲波和由發(fā)出的超聲波和由s2反射的超聲波在反射的超聲波在s1、s2之間的區(qū)域干涉之間的區(qū)域干涉而構(gòu)成駐波。改動(dòng)而構(gòu)成駐波。改動(dòng)s1、s2之間的間隔，在一系列特定的位置上，之間的間隔，在一系列特定的位置上，接納面接納面s2上的聲壓到達(dá)極大值，可以證明：相鄰兩極大值之間的上的聲壓到達(dá)極大值，可以證明：相鄰兩極大值之間的間隔為半波長(zhǎng)。間隔為半波長(zhǎng)。 為了測(cè)出駐波相鄰波腹或相鄰波節(jié)之為了測(cè)出駐波相鄰波腹或相鄰波節(jié)之間的半波長(zhǎng)間

15、隔，可改動(dòng)間的半波長(zhǎng)間隔，可改動(dòng)s1和和s2之間的間隔，之間的間隔，此時(shí)，可以看到示波器上顯示的信號(hào)幅度發(fā)生此時(shí)，可以看到示波器上顯示的信號(hào)幅度發(fā)生周期性的大小變化，即由一個(gè)極大變到極小，周期性的大小變化，即由一個(gè)極大變到極小，再變到極大，而幅度每一次周期性的變化，就再變到極大，而幅度每一次周期性的變化，就相當(dāng)于相當(dāng)于s1、s2之間的間隔改動(dòng)了。之間的間隔改動(dòng)了。s1、s2之之間間隔的改動(dòng)由游標(biāo)尺測(cè)得。由信號(hào)源可讀出間間隔的改動(dòng)由游標(biāo)尺測(cè)得。由信號(hào)源可讀出超聲源的頻率超聲源的頻率f，這樣就可計(jì)算出聲速，這樣就可計(jì)算出聲速v。2. 2. 相位法相位法 波是振動(dòng)形狀的傳播，也可以說是相位的傳播。波

16、是振動(dòng)形狀的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點(diǎn)，其振動(dòng)形狀一樣沿傳播方向上的任何兩點(diǎn)，其振動(dòng)形狀一樣(同相同相: 相相位差為位差為0)或者說其相位差為或者說其相位差為2的整數(shù)倍時(shí)兩點(diǎn)間的間的整數(shù)倍時(shí)兩點(diǎn)間的間隔應(yīng)等于波長(zhǎng)隔應(yīng)等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即的整數(shù)倍，即 l = n (n為一正整數(shù)為一正整數(shù)) 利用這個(gè)公式可丈量波長(zhǎng)。利用這個(gè)公式可丈量波長(zhǎng)。相位法又可分為行波法和李薩如圖形法。相位法又可分為行波法和李薩如圖形法。(1)行波法行波法 將發(fā)射信號(hào)和接納信號(hào)同時(shí)輸入到示波器，此將發(fā)射信號(hào)和接納信號(hào)同時(shí)輸入到示波器，此時(shí)示波器上同時(shí)顯示的發(fā)送和接納電信號(hào)。當(dāng)改動(dòng)時(shí)示波器上同時(shí)顯示的發(fā)

17、送和接納電信號(hào)。當(dāng)改動(dòng)兩個(gè)換能器之間的間隔時(shí)，發(fā)送信號(hào)不變，而接納兩個(gè)換能器之間的間隔時(shí)，發(fā)送信號(hào)不變，而接納電信號(hào)正弦波的幅值和位置均發(fā)生變化，當(dāng)接電信號(hào)正弦波的幅值和位置均發(fā)生變化，當(dāng)接納電信號(hào)的位置與發(fā)射信號(hào)的位置前后兩次重合時(shí)納電信號(hào)的位置與發(fā)射信號(hào)的位置前后兩次重合時(shí)接納器走過的間隔，就是信號(hào)的波長(zhǎng)。接納器走過的間隔，就是信號(hào)的波長(zhǎng)。12xxl(2)李薩如圖法李薩如圖法lvlf22 從從s1發(fā)出的超聲波經(jīng)過媒質(zhì)到達(dá)接納頭發(fā)出的超聲波經(jīng)過媒質(zhì)到達(dá)接納頭s2，在發(fā)射波和接納波之間產(chǎn)生相位差，此相位差在發(fā)射波和接納波之間產(chǎn)生相位差，此相位差和角頻率和角頻率=2f、傳播時(shí)間、傳播時(shí)間、聲速、

18、聲速v、間、間隔隔l、波長(zhǎng)、波長(zhǎng)之間有以下關(guān)系：之間有以下關(guān)系： 由上式可知，假設(shè)要使相位差由上式可知，假設(shè)要使相位差改動(dòng)改動(dòng)2，那么，那么， s1和和s2的間距的間距l(xiāng)就要相應(yīng)地改動(dòng)一個(gè)波長(zhǎng)就要相應(yīng)地改動(dòng)一個(gè)波長(zhǎng) 。于是，。于是，根據(jù)相位差的根據(jù)相位差的2變化，便可以丈量出波長(zhǎng)來。聲變化，便可以丈量出波長(zhǎng)來。聲波頻率由信號(hào)源讀出，根據(jù)上式便可算出聲速。波頻率由信號(hào)源讀出，根據(jù)上式便可算出聲速。 我們可以經(jīng)過示波器來察看相位差。相互垂直我們可以經(jīng)過示波器來察看相位差。相互垂直的兩個(gè)諧振動(dòng)的合成，能得到李薩如圖形。假設(shè)兩的兩個(gè)諧振動(dòng)的合成，能得到李薩如圖形。假設(shè)兩個(gè)諧振動(dòng)的頻率一樣，那么李薩如圖

19、形就很簡(jiǎn)單。隨個(gè)諧振動(dòng)的頻率一樣，那么李薩如圖形就很簡(jiǎn)單。隨著兩個(gè)振動(dòng)的相位差從著兩個(gè)振動(dòng)的相位差從0變化，圖形從斜率為變化，圖形從斜率為正的直線變?yōu)闄E圓再變到斜率為負(fù)的直線。選擇判正的直線變?yōu)闄E圓再變到斜率為負(fù)的直線。選擇判斷比較靈敏的亦即李薩如圖形為直線的位置作為測(cè)斷比較靈敏的亦即李薩如圖形為直線的位置作為測(cè)量的起點(diǎn)。每挪動(dòng)一個(gè)波長(zhǎng)的間隔就會(huì)反復(fù)出現(xiàn)同量的起點(diǎn)。每挪動(dòng)一個(gè)波長(zhǎng)的間隔就會(huì)反復(fù)出現(xiàn)同樣斜率。樣斜率。用李薩如圖形觀測(cè)相位的變化 兩個(gè)同斜率直線所對(duì)應(yīng)的傳感器間距為一個(gè)波長(zhǎng)兩個(gè)同斜率直線所對(duì)應(yīng)的傳感器間距為一個(gè)波長(zhǎng) 。 24434547223012四、實(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的儀器主要有

20、：聲速丈量?jī)x、 函數(shù)發(fā)生器和示波器。 聲速丈量?jī)x由：超聲壓電陶瓷換能器、帶有標(biāo)尺的底座和讀數(shù)安裝構(gòu)成，用來作聲壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換，以及波長(zhǎng)的丈量。 函數(shù)發(fā)生器用來產(chǎn)生超聲波； 示波器用來察看超聲波的振幅、相位和頻率。讀數(shù)安裝壓電陶瓷換能器底座底座傳感器及它的內(nèi)部構(gòu)造 傳感器是物理實(shí)驗(yàn)中常用的間接丈量元件。本實(shí)驗(yàn)傳感器是物理實(shí)驗(yàn)中常用的間接丈量元件。本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的傳感器是由壓電陶瓷片構(gòu)成的，其中一個(gè)是用來中運(yùn)用的傳感器是由壓電陶瓷片構(gòu)成的，其中一個(gè)是用來產(chǎn)活力械振動(dòng)并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個(gè)用來接納產(chǎn)活力械振動(dòng)并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個(gè)用來接納振動(dòng)，同時(shí)電輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。振動(dòng)，同

21、時(shí)電輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。 本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷超聲換能器來實(shí)現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷超聲換能器來實(shí)現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。壓電換能器做波源具平面性、單色性好以及方向性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，由壓電換能器做波源具平面性、單色性好以及方向性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，由于頻率在超聲范圍內(nèi)，普通的音頻對(duì)它無干擾。頻率提高，波長(zhǎng)于頻率在超聲范圍內(nèi)，普通的音頻對(duì)它無干擾。頻率提高，波長(zhǎng)就短，就短，在不長(zhǎng)的間隔中可測(cè)到許多個(gè)在不長(zhǎng)的間隔中可測(cè)到許多個(gè)，取其平均值，取其平均值，的測(cè)定較準(zhǔn)確。這些都的測(cè)定較準(zhǔn)確。這些都可使實(shí)驗(yàn)的精度大大提高?？墒箤?shí)驗(yàn)的精度大大提高。 壓電陶瓷超聲換能器由壓電陶瓷片和輕、重兩種

22、金屬組成。壓電壓電陶瓷超聲換能器由壓電陶瓷片和輕、重兩種金屬組成。壓電陶瓷片如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等是由一種多晶構(gòu)造的壓電資料做成的，陶瓷片如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等是由一種多晶構(gòu)造的壓電資料做成的，在一定的溫度下經(jīng)極化處置后，具有壓電效應(yīng)。在一定的溫度下經(jīng)極化處置后，具有壓電效應(yīng)。 反之，當(dāng)與極化方向一致的外加電壓反之，當(dāng)與極化方向一致的外加電壓U加在壓電資料上時(shí)，資加在壓電資料上時(shí)，資料的伸縮形變料的伸縮形變S與電壓與電壓U也有線性關(guān)系也有線性關(guān)系S=dU。比例常數(shù)。比例常數(shù)g、d稱為壓稱為壓電常數(shù)，與資料性質(zhì)有關(guān)。由于電常數(shù)，與資料性質(zhì)有關(guān)。由于E、T、S、U之間具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)之間具有簡(jiǎn)單的線性

23、關(guān)系，因此我們就可以將正弦交流電信號(hào)轉(zhuǎn)變成壓電資料縱向長(zhǎng)度的伸系，因此我們就可以將正弦交流電信號(hào)轉(zhuǎn)變成壓電資料縱向長(zhǎng)度的伸縮，成為聲波的波源，同樣也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，用縮，成為聲波的波源，同樣也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓脕斫蛹{聲信號(hào)。來接納聲信號(hào)。 在簡(jiǎn)單情況下，壓電資料遭到與極化方向一致的應(yīng)力在簡(jiǎn)單情況下，壓電資料遭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)度時(shí)，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場(chǎng)強(qiáng)度E，它們之，它們之間有一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系間有一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系E=gT； 在壓電陶瓷片的頭尾兩端膠粘兩塊金屬，組成在壓電陶瓷片的頭尾兩端膠粘兩塊金屬，組成夾心型振子。頭部

24、用輕金屬做成喇叭型，尾部用重金夾心型振子。頭部用輕金屬做成喇叭型，尾部用重金屬做成錐型或柱型，中部為壓電陶瓷圓環(huán)，緊固螺釘屬做成錐型或柱型，中部為壓電陶瓷圓環(huán)，緊固螺釘穿過環(huán)中心。這種構(gòu)造增大了輻射面積，加強(qiáng)了振子穿過環(huán)中心。這種構(gòu)造增大了輻射面積，加強(qiáng)了振子與介質(zhì)的耦協(xié)作用，由于振子是以縱向長(zhǎng)度的伸縮直與介質(zhì)的耦協(xié)作用，由于振子是以縱向長(zhǎng)度的伸縮直接接 影響頭部輕金屬作同樣的縱向長(zhǎng)度伸縮對(duì)尾部重影響頭部輕金屬作同樣的縱向長(zhǎng)度伸縮對(duì)尾部重金屬作用小，這樣所發(fā)射的波方向性強(qiáng)，平面性好。金屬作用小，這樣所發(fā)射的波方向性強(qiáng)，平面性好。 傳感器內(nèi)部構(gòu)造 壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外殼開關(guān)顯示屏顯示屏第二通道第一通道一通道放大、一通道放大、衰減器衰減器二通道放大、二通道放大、衰減器衰減器時(shí)基掃描時(shí)基掃描 聚焦輝度頻率調(diào)理頻率范圍選擇信號(hào)輸出函數(shù)選擇開關(guān)信號(hào)發(fā)生器五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2、利用共振駐波法丈量聲速、利用共振駐波法丈量聲速3、利用行波法丈量聲速、利用行波法丈量聲速4、利用李薩如圖法丈量聲速、利用李薩如圖法丈量聲速1、諧振頻率的調(diào)整、諧振頻率的調(diào)整1 1、諧振頻率的調(diào)整、諧振頻率的調(diào)整改動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的頻率時(shí)，看到改動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的頻率時(shí)，看到2 2、利用共振駐波法丈量聲速、利用共振駐波法丈量聲速 將換能器的接納端接入示波器