實(shí)驗(yàn)報(bào)告--聲速的測量

1、姓名： 曹招 專業(yè)： 材料科學(xué)與工程 班級(jí)： 材料科學(xué)與工程152班 學(xué)號(hào)： 5702115048 一、 【實(shí)驗(yàn)名稱】 聲速的測量二、 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1、了解聲速的測量原理2、學(xué)習(xí)示波器的原理與使用3、學(xué)習(xí)用逐差法處理數(shù)據(jù) 三、 【儀器用具】1、SV-DH-3型聲速測定儀段 （資產(chǎn)編號(hào)）2、雙蹤示波器 （資產(chǎn)編號(hào)）3、SVX-3型聲速測定信號(hào)源（資產(chǎn)編號(hào)）四、 【儀器用具】1.超聲波與壓電陶瓷換能器頻率20Hz-20kHz的機(jī)械振動(dòng)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(diǎn)，聲速實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻率一般都在20

2、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。圖1 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(dòng)）換能器、徑向（振動(dòng)）換能器及彎曲振動(dòng)換能器。聲速教學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的大多數(shù)采用縱向換能器。圖1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(gè)點(diǎn)聲源S1（發(fā)射換能器）和一個(gè)接收平面（接收換能器S2）。當(dāng)點(diǎn)聲源發(fā)出聲波后，在此聲場中只有一個(gè)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(hào)相位與1相反

3、，幅度A1A。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2 換能器間距與合成幅度實(shí)驗(yàn)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(hào)源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號(hào)，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

4、的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號(hào)產(chǎn)生的正弦波形。由于S2在接收聲波的同時(shí)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?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和S2之間的距離），你從示波器顯示上會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)S2在某此位置時(shí)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(shí)，緩

5、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的距離為/2；S2移動(dòng)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(dòng)鼓輪來實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲速測試儀信號(hào)源頻率顯示窗口直接讀出。圖3 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(yùn)用測量數(shù)據(jù)計(jì)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(duì)于波束：1 =Acos（t - 2x /)由此可見，在經(jīng)

6、過x距離后，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(shí)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(shí)間后，到達(dá)L距離處的接收換能器。由運(yùn)動(dòng)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(shí)間t圖4 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(shí)間t ,就可以計(jì)算出當(dāng)前介質(zhì)下的聲波傳播速度。五、【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】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(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)。2. 駐波法測量聲速。2.1

7、測量裝置的連接：圖5 駐波法、相位法連線圖如圖5所示，信號(hào)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(hào)，請(qǐng)接至測試架的發(fā)射換能器（S1）；信號(hào)源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形Y1，請(qǐng)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(diǎn)只有當(dāng)換能器S1的發(fā)射面和S2的接收面保持平行時(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)到換能器S1、S2的諧振頻率點(diǎn)處時(shí)，才能較好的進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換（實(shí)際上有一個(gè)小的通頻帶），以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。按照調(diào)節(jié)到壓電陶瓷換能器諧振

8、點(diǎn)處的信號(hào)頻率，估計(jì)一下示波器的掃描時(shí)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(hào)源輸出合適的電壓（810VP-P之間），再調(diào)整信號(hào)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(shí)接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)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(diǎn)，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

9、續(xù)波方式，合適選擇相應(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(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時(shí)波形的幅度會(huì)發(fā)生變化，記錄下幅度為最大時(shí)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(gè)方向）移動(dòng)距離，當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時(shí)，記錄下此時(shí)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(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線

10、，記錄下此時(shí)的距離Li-1；距離由數(shù)顯尺（數(shù)顯尺原理說明見附錄2）或機(jī)械刻度尺上讀出，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的特定角度的斜線，記錄下此時(shí)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(hào)源頻率顯示窗口直接讀出。）則聲速Ci=i×f i。因聲速還與介質(zhì)溫度有關(guān)，所以必要時(shí)請(qǐng)記下介質(zhì)溫度t。5. 時(shí)差法測量聲速步驟圖6 時(shí)差法測量聲速接線圖按圖6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，

11、使顯示的時(shí)間差值讀數(shù)穩(wěn)定，此時(shí)儀器內(nèi)置的計(jì)時(shí)器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時(shí)的距離值和信號(hào)源計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間值Li-1、ti-1。移動(dòng)S2，如果計(jì)時(shí)器讀數(shù)有跳字，則微調(diào)（距離增大時(shí)，順時(shí)針調(diào)節(jié)；距離減小時(shí)，逆時(shí)針調(diào)節(jié)）接收增益，使計(jì)時(shí)器讀數(shù)連續(xù)準(zhǔn)確變化。記錄下這時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值Li、ti。則聲速Ci=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。六、【注意事項(xiàng)】1嚴(yán)禁將液體（水）滴到數(shù)顯尺桿和數(shù)顯表頭內(nèi)，如果不慎將液體滴到數(shù)顯尺桿和數(shù)顯表頭上。2使用時(shí)應(yīng)避免聲速測試儀信號(hào)源的功率輸出端短路。3聲速測量儀上的手輪只能向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，不然要出現(xiàn)空回誤差。七、【數(shù)據(jù)記錄】1 駐波共振法 FN= 35.685KHz t= 20 次數(shù)l1l2l3l4l5l6l7l8l9l10L1(mm)57.03562.10667.21072.00877.26882.35087.22092.25697.338102.1802 相位比較法 t=20 次數(shù)l1l2l3l4l5l6l7l8l9l10L2(mm)54.15059.22064.23669.32174.42879.326