超聲波測聲速

1、 超聲波測聲速聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機械波,它是縱波,其振動方向與傳播方向一致.聲速是描述聲波在介質(zhì)中傳播特性的一個基本物理量,它與介質(zhì)的特性及狀態(tài)因素有關(guān),因而通過介質(zhì)中聲速的測定,可以了解介質(zhì)的特性或狀態(tài)變化。 例如，測量氯氣、蔗糖等氣體或溶液的濃度、氯丁橡膠乳液的比重以及輸油管中不同油品的分界面等等，這些問題都可以通過測定這些物質(zhì)中的聲速來解決。頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波；頻率在20Hz20kHz的聲波可以被人聽到,稱為可聞聲波;頻率在20kHz以上的聲波稱為超聲波.超聲波的傳播速度就是聲波的速度.由于超聲波具有波長短、易發(fā)射、能定向傳播等優(yōu)點,在超聲波段進(jìn)行聲速測量是比較方

2、便的. 本實驗用壓電陶瓷超聲換能器來測定超聲波在空氣中的傳播速度。實驗?zāi)康?.學(xué)習(xí)相位比較法測定聲速的原理及方法.加深對振動合成等理論知識的理解2.了解壓電換能器的工作原理和功能,進(jìn)一步熟悉信號發(fā)生器、示波器的使用3.練習(xí)使用逐差法處理數(shù)據(jù)實驗儀器聲速測定組合儀,信號發(fā)生器,示波器聲速測量儀：由發(fā)射器、接收器、游標(biāo)卡尺組成。當(dāng)一交變正弦電壓信號加在發(fā)射器上時，由于壓電晶片的逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生機械振動發(fā)生超聲波。可移動的接收器，將接收的聲振動轉(zhuǎn)化為電振動信號輸至示波器。接收器的位置由游標(biāo)卡尺讀數(shù)確定。圖1. 聲速測量儀使用方法：左擊或右擊換能器，可以改變換能器面與水平方向的夾角。按下右邊換能器的拖

3、動，可以改變兩個換能器之間的的距離。點擊或按下窗體中上部的微調(diào)按鈕，可以緩慢改變兩個換能器之間的距離。信號發(fā)生器：圖2. 信號發(fā)生器它是一種多功能信號發(fā)生器，可以輸出正弦波、方波、三角波三種波形的交變信號，信號頻率范圍為10Hz2000kHz，既可分檔調(diào)節(jié)，又可連續(xù)調(diào)節(jié)。信號幅度可連續(xù)調(diào)節(jié)。1 頻率顯示窗口：顯示輸出信號的頻率或外測頻信號的頻率，用五位數(shù)字顯示信號的頻率，且頻率連續(xù)可調(diào)（輸出信號時）。2 幅度顯示窗口：顯示函數(shù)輸出信號的幅度，由三位數(shù)字顯示信號的幅度。3 輸出波形，對稱性調(diào)節(jié)旋鈕（SYM）：調(diào)節(jié)此旋鈕可改變輸出信號的對稱性。當(dāng)電位器處在關(guān)閉或者中心位置時，則輸出對稱信號。輸出波

4、形對稱調(diào)節(jié)器可改變輸出脈沖信號空度比，與此類似，輸出波形為三角或正弦時可使三角波調(diào)變?yōu)殇忼X波, 正弦波調(diào)變?yōu)檎c負(fù)半周分別為不同角頻率的正弦波形，且可移相180°。（仿真實驗中使用方法：右鍵單擊進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)，左鍵打擊進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)。）4 速率調(diào)節(jié)旋鈕（WIDTH）：調(diào)節(jié)此電位器可以改變內(nèi)掃描的時間長短。在外測頻時，逆時針旋到底（綠燈亮），為外輸入測量信號經(jīng)過低通開關(guān)進(jìn)入測量系統(tǒng)。5 掃描寬度調(diào)節(jié)旋鈕（RATE）：調(diào)節(jié)此電位器可調(diào)節(jié)掃頻輸出的掃頻范圍。在外測頻時，逆時針旋到底（綠燈亮），為外輸入測量信號經(jīng)過衰減“20dB”進(jìn)入測量系統(tǒng)。6 外部輸入插座（INPUT）：當(dāng)“掃描/計數(shù)鍵

5、”（13）功能選擇在外掃描外計數(shù)狀態(tài)時，外掃描控制信號或外測頻信號由此輸入。7 TTL信號輸出端（TTL OUT）：輸出標(biāo)準(zhǔn)的TTL幅度的脈沖信號，輸出阻抗為600W。8 函數(shù)信號輸出端：輸出多種波形受控的函數(shù)信號，輸出幅度20Vpp（1MW負(fù)載）,10Vpp (50W負(fù)載)。9 函數(shù)信號輸出幅度調(diào)節(jié)旋鈕（AMPL）：調(diào)節(jié)范圍20dB。（仿真實驗中使用方法：右鍵按下進(jìn)行順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，信號幅度增大，左鍵按下進(jìn)行逆時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，信號幅度減小。）10 函數(shù)信號輸出信號直流電平預(yù)置調(diào)節(jié)旋鈕（OFFSET）：調(diào)節(jié)范圍：5V+5V（50W負(fù)載），當(dāng)電位器處在中心位置時，則為0電平，由信號電平設(shè)定器選定輸

6、出信號所攜帶的直流電平。11函數(shù)信號輸出幅度衰減開關(guān)（ATT）：“20dB”“40dB”鍵均不按下，輸出信號不經(jīng)衰減，直接輸出到插座口?！?0dB”“40dB”鍵分別按下，則可選擇20dB或40dB衰減。12函數(shù)輸出波形選擇按鈕：可選擇正弦波、三角波、脈沖波輸出。（仿真實驗中使用方法：左鍵打擊進(jìn)行波形間進(jìn)行切換）13“掃描/計數(shù)”按鈕：可選擇多種掃描方式和外測頻方式。14頻率范圍細(xì)調(diào)旋鈕：調(diào)節(jié)此旋鈕可改變1個頻程內(nèi)的頻率范圍。（仿真實驗中使用方法：右鍵按下進(jìn)行順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，信號幅度增大，左鍵按下進(jìn)行逆時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，信號幅度減小。）15頻率范圍選擇按鈕：調(diào)節(jié)此旋鈕可改變輸出頻率的1個頻程，共有

7、7 個頻程。（）仿真實驗中使用方法：左鍵打擊進(jìn)行波形間進(jìn)行切換16整機電源開關(guān)：此按鍵撳下時，機內(nèi)電源接通，整機工作。此鍵釋放為關(guān)掉整機電源。（仿真實驗中使用方法：左鍵打擊進(jìn)行打開和關(guān)閉切換。）示波器：圖3. 示波器有關(guān)知識參看示波器的原理和使用。實驗原理聲波的傳播速度與聲波頻率及波長的關(guān)系為 （1）測出聲波的頻率和波長，就可以求出聲速，其中超聲波的頻率可從信號發(fā)生器中的頻率顯示讀出，超聲波的波長可用相位法測出。產(chǎn)生和接收超聲波是用超聲波傳感器，其中的壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，聲速測量儀的發(fā)射器和接收器都是超聲波傳感器。當(dāng)一交變正弦電壓信號加在發(fā)射器上時，由于壓電晶片的逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生機械振

8、動發(fā)生超聲波?？梢苿拥膲弘姵暡ń邮掌?，由于壓電晶片的正壓電效應(yīng)，將接收的聲振動轉(zhuǎn)化為電振動信號。本實驗中壓電陶瓷晶片的固有頻率為40kHz,當(dāng)正弦電壓信號的頻率調(diào)節(jié)到40kHz時，傳感器發(fā)生共振，輸出的超聲波能量最大。在40kHz附近微調(diào)外加電信號的頻率，當(dāng)接收傳感器輸出的電信號幅度達(dá)到最大時，可以判斷電信號與發(fā)射傳感器已達(dá)到共振。沿著的波傳播方向上的任何兩個相位差為2的整數(shù)倍的位置之間的距離等于波長的整數(shù)倍，即為正整數(shù)）。沿傳播方向移動接收器，總可以找到一個位置使得接收器的信號與發(fā)射器的激勵信號同相，繼續(xù)移動接收器，接收的信號再一次和發(fā)射器的激勵信號同相時，移過的這段距離必然等于超聲波的波

9、長。為了判斷相位差，可根據(jù)兩個相互垂直的簡諧振動的合成所得到的李薩如圖形來測定。將正弦電壓信號加在發(fā)射器上的同時接入示波器的X輸入端，將接收器接收到的電振動信號接到示波器的Y輸入端，根據(jù)振動和波的理論,設(shè)發(fā)射器S1處的聲振動方程為 (2)若聲波在空氣中的波長為,則聲波沿波線傳到接收器S2處的聲振動方程為 (3)S1處和S2處的聲振動的相位差為 (4)負(fù)號表示S2處的相位比S1處落后,其值決定于發(fā)射器與接收器之間的距離。示波器Y軸和X軸的輸入信號是兩個頻率相同而有一定相位差的正弦波，而熒光屏上光點的運動則是頻率相同、振動方向相互垂直的兩個簡諧振動的合運動，合運動的軌跡方程為 （5）該方程是橢圓方

10、程，橢圓的圖形由相位差決定。 圖4 同頻率垂直振動合成的李薩如圖形(a) (b) (c) (d) (e)圖4給出了相位差從0到2之間幾個特殊值的圖形。假如初始時圖形如(a)圖；接收器移動距離為半波長時，圖形變化為（c），接收器移動距離為一個波長時，圖形變化為（e），所以通過對李薩如圖形的觀測，就能確定聲波的波長。在兩個信號同相或反相時呈斜直線來判斷相位差的大小，其優(yōu)點是斜直線情況判斷相位差最為敏銳。聲速的理論值由下式?jīng)Q定 （6）式中，為空氣定壓比熱容與定容比熱容之比，R為摩爾氣體常數(shù)，為氣體的摩爾質(zhì)量，T為絕對溫度。在0ºC時，聲速，顯然在ºC時聲速的理論計算公式應(yīng)為 （7

11、）儀器說明超聲波的發(fā)射和接收都需要換能器,換能器的作用是將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量（發(fā)射換能器）或?qū)⒊暡ǖ哪芰哭D(zhuǎn)換為其它可以檢測的能量（接收換能器）.最常用的是壓電換能器.壓電晶體或壓電陶瓷等壓電材料受到應(yīng)力的作用時會在材料內(nèi)產(chǎn)生電場,稱為壓電效應(yīng).壓電換能器接收超聲波信號,使之轉(zhuǎn)換為電信號,從而將機械能轉(zhuǎn)換為電能,就是利用壓電效應(yīng)的原理.當(dāng)超聲波頻率與系統(tǒng)固有頻率一致時,電信號最強.壓電材料在交變電場的作用下會周期性的壓縮和伸長,當(dāng)外加電場的頻率和壓電體固有頻率相同時振幅最大.發(fā)射換能器利用逆壓電效應(yīng)就可以將電能轉(zhuǎn)換成超聲振動能,在周圍媒質(zhì)中激發(fā)超聲波.壓電換能器在聲、電轉(zhuǎn)換過程中

12、信號頻率保持不變.實驗內(nèi)容 1.連接及調(diào)試聲速測量系統(tǒng) 按圖5連接信號源、聲速測試儀及示波器,接通儀器電源,使儀器預(yù)熱15分鐘左右.觀察和是否平行.信號發(fā)生器 電壓輸出 圖5 聲速測量儀示意圖 2.諧振頻率的調(diào)節(jié) 根據(jù)測量要求初步調(diào)節(jié)好示波器.將信號源輸出的正弦信號頻率調(diào)節(jié)到換能器的諧振頻率,以使換能器發(fā)射出較強的超聲波,能較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換,已得到較好的實驗效果,方法如下：（1）將測試方式設(shè)置到連續(xù)方式,按下CH1開關(guān),調(diào)解示波器,能清楚地觀察到同步的正弦信號.（2）調(diào)解信號源上的“發(fā)射強度”旋鈕,使其輸出電壓在20Vp-p左右,將和靠近,按下CH2開關(guān) ,調(diào)整信號頻率,觀察接收

13、波的電壓幅度變化,在某一頻率點處（34.5 kHz 39.5kHz之間,因不同的換能器或介質(zhì)而異）電壓幅度最大, 改變、的距離,使示波器的正弦波振幅最大,再次調(diào)節(jié)正弦信號頻率,直至示波器顯示的正弦波振幅達(dá)到最大值,此頻率即是壓電換能器、相匹配的頻率點, 記錄此頻率.3.相位比較法測聲速（1）調(diào)節(jié) 靠近但不能接觸.由近而遠(yuǎn)改變的位置,觀察示波器,記錄相繼出現(xiàn)10個振幅極大值所對應(yīng)的各接收面的位置(=0,1,2,10).（2）將示波器打到XY顯示方式,適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器,出現(xiàn)李薩如圖形.（3）移動并觀察示波器上李薩如圖形的變化,選擇圖形為某一方向的斜線時的位置為測量的起點,連續(xù)記錄12組圖形為相同方向

14、斜線時的位置(=0,1,2,9).（4）用逐差法處理數(shù)據(jù),求出波長.數(shù)據(jù)記錄與處理1.根據(jù)下表記錄所有的實驗數(shù)據(jù)并用逐差法計算波長. 表1輸入電壓峰峰值: 輸入頻率: 位置磁鼓位置（增加）mm磁鼓位置（減?。﹎m2.計算出測量的聲速,并寫出測量結(jié)果.注意事項1.示波器電源打開后可連續(xù)使用,不要時開時關(guān),以免對儀器造成損害,暫時不用時可將輝度調(diào)暗.輝度過大時對熒光屏壽命有影響.2.、兩端面應(yīng)平行;信號源電源打開后與不準(zhǔn)接觸.3.注意換能器系統(tǒng)的諧振頻率的調(diào)節(jié),先粗調(diào)后細(xì)調(diào),調(diào)好后不可再改變,否則就必須重新測量數(shù)據(jù).4.測量波長時,注意在振幅最大或直線狀態(tài)進(jìn)行測讀;讀數(shù)時應(yīng)預(yù)先估測波形最大或重合的位置,精細(xì)調(diào)節(jié),不可來回旋轉(zhuǎn)鼓輪,避免回程誤差.5.由于聲波在傳播過程中有能量損失,因而隨著接收端面逐漸遠(yuǎn)