補充實驗2聲速的測量

1、聲速的測量1. 實驗目的（1）了解聲速測量儀的結(jié)構(gòu)和測試原理；（2）通過實驗了解作為傳感器的壓電陶瓷的功能；（3）用共振干涉法和相位比較法測量聲速，并加深有關(guān)共振、振動合成、波的干涉等理論 知識的理解；（4）進一步掌握示波器、低頻信號發(fā)生器和數(shù)字頻率計的使用。2. 實驗儀器SV-DH系列聲速測試儀，SVX-5型聲速測試儀信號源，雙蹤示波器（20MHz）。3. 儀器簡介聲波頻率介于20Hz20kHz的機械波振動在彈性介質(zhì)中的傳播就形成聲波，介于20kHz /500MHz的稱為超聲波，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)射和會聚等優(yōu)點，聲速實驗所采用的聲波頻率一般都

2、在20KHz60kHz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。（2）壓電陶瓷換能器SV-DH系列聲速測試儀主要由壓電陶瓷換能器和讀數(shù)標尺組成。壓電陶瓷換能器是由壓電 陶瓷片和輕重兩種金屬組成。壓電陶瓷片是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷等），在一定溫度下經(jīng)極化處理制成的。它具有壓電效應，即受到與極化方向一致的應力T時，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場強度E且具有線性關(guān)系：E=CT ;當與極化方向一致的外加電壓U加在壓電材料上時，材料的伸縮形變 S與U之間有簡單的線性關(guān)系：S=KU , C為比例系數(shù)，K為壓電常數(shù)，與材料 的性質(zhì)有關(guān)。由于 E與T, S

3、與U之間有簡單的線性關(guān)系，因此我們就可以將正弦交流電信號 變成壓電材料縱向的長度伸縮，使壓電陶瓷片成為超聲波的波源。即壓電換能器可以把電能轉(zhuǎn) 換為聲能作為超聲波發(fā)生器，反過來也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，即用壓電陶瓷片作為 聲頻信號接收器。因此，壓電換能器可以把電能轉(zhuǎn)換為聲能作為聲波發(fā)生器，也可把聲能轉(zhuǎn)換 為電能作為聲波接收器之用。壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，可分為縱向（振動）換能器、徑向（振動）換能器及彎曲振動換能器。圖1所示為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。正負電極片LI廠1后蓋反射板壓電陶瓷片輻射頭圖1縱向換能器的結(jié)構(gòu)X軸的入射波振動方程為(2)(3)4. 實驗原理根據(jù)聲波各參量之間的關(guān)系可

4、知V=入V其中V為波速，入為波長，V為頻率。在實驗中，可以通過測定聲波的波長 入和頻率V求聲速。聲波的頻率V可以直接從低頻信號 發(fā)生器(信號源)上讀出，而聲波的波長 入則常用相位比較法(行波法)和共振干涉法(駐波法)來 測量。(1) 相位比較法實驗裝置接線如圖2所示，置示波器功能于 X - Y方式。當S1發(fā)出的平面超聲波通過媒質(zhì) 到達接收器S2，在發(fā)射波和接收波之間產(chǎn)生相位差：c L cL12 22 V("因此可以通過測量來求得聲速。的測定可用相互垂直振動合成的李薩如圖形來進行。設輸入xA1 cos( t1)輸入Y軸的是由S2接收到的波動，其振動方程為：yA2 cos( t2)圖2實

5、驗裝置上兩式中：A1和A2分別為X、Y方向振動的振幅,為角頻率，1和2分別為X、Y方向振動的初相位，則合成振動方程為221)xy2xy2/22cos( 21) sin (A2Aaa2Aay x，即軌跡為處于第一和第三象限的一條直線，顯然直線的斜率為 。如圖3(a)所示;AiAi= 時，得yAx，則軌跡為處于第二和第四象限的一條直線如圖3(e)所示。A(a)(b)(c)(d)(e)圖3合成振動改變S1和S2之間的距離L,相當于改變了發(fā)射波和接收波之間的相位差，熒光屏上的圖形也隨L不斷變化。顯然，當 S1、S2之間距離改變半個波長L/2，貝U=。隨著振動的相位差從0 的變化，李薩如圖形從斜率為正的

6、直線變?yōu)闄E圓，再變到斜率為負的直線。因此，每移動半個波長，就會重復出現(xiàn)斜率符號相反的直線，測得了波長和頻率 ，根據(jù)式V即可計算出室溫下聲音在媒質(zhì)中傳播的速度。(2) 共振干涉(駐波)法測聲速實驗裝置接線仍如圖 2所示，圖中S1和S2為壓電陶瓷超聲換能器。S1作為超聲源(發(fā)射頭)，低頻信號發(fā)生器輸出的正弦交變電壓信號接到換能器S1上，使S1發(fā)出一平面波。S2作為超聲波接收頭，把接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成交變的正弦電壓信號后輸入示波器觀察。S2在接收超聲波的同時還反射一部分超聲波。這樣，由S1發(fā)出的超聲波和由 S2反射的超聲波在 S1和S2之間產(chǎn)生定域干涉，而形成駐波。設沿X軸正向傳播的入射波的波動方程為

7、xY Acos2 ( t )( 5)設沿X軸負向傳播的反射波的波動方程為XY Acos2 ( t )(6)xY 策 丫2 (2Acos2 )cos t( 7)x由式可知，當：2 -(2k 1)-,k = 0 , 1, 2, 3(8)即 x (2k1), k= 0, 1, 2, 34時，這些點的振幅始終為零，即為波節(jié)。當:k = 0 , 1, 2, 3(9)即X k ,k = 0,1, 2, 3 時，這些點的振幅最大，等于 2 A,即為波腹。2故知，相鄰波腹(或波節(jié))的距離為 /2。對一個振動系統(tǒng)來說，當振動激勵頻率與系統(tǒng)固有頻率相近時，系統(tǒng)將發(fā)生能量積聚產(chǎn)生 共振，此時振幅最大。當信號發(fā)生器的

8、激勵頻率等于系統(tǒng)固有頻率時，產(chǎn)生共振，聲波波腹處 的振幅達到相對最大值。當激勵頻率偏離系統(tǒng)固有頻率時，駐波的形狀不穩(wěn)定，且聲波波腹的 振幅比最大值小得多。由上式可知，當 S1和S2之間的距離L恰好等于半波長的整數(shù)倍時，即L k , k = 0, 1, 2, 3 ;形成駐波，示波器上可觀察到較大幅度的信號，不滿足條件時，觀察到的信號幅度較小。移動S2,對某一特定波長，將相繼出現(xiàn)一系列共振態(tài)，任意兩個相鄰的共振態(tài)之間，S2的位移為,LLk iLk (k 1)- k2 -(10)所以當S1和S2之間的距離L連續(xù)改變時，示波器上的信號幅度每一次周期性變化，相當于S1 和S2之間的距離改變了 一。此距離

9、 一可由讀數(shù)標尺測得，頻率 v由信號發(fā)生器讀得，由2 2V即可求得聲速。5. 實驗步驟(1) 聲速測試儀系統(tǒng)的連接與調(diào)試在接通市電后，信號源自動工作在連續(xù)波方式，選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)，預熱15min。聲速測試儀和聲速測試儀信號源及雙蹤示波器之間的連接如圖2所示。 測試架上的換能器與聲速測試儀信號源之間的連接信號源面板上的發(fā)射端換能器接口(S1)，用于輸出相應頻率的功率信號，接至測試架左邊的發(fā)射換能器(S1);儀器面板上的接收端的換能器接口(S2)，請連接測試架右邊的接收換能器(S2)。 示波器與聲速測試儀信號源之間的連接信號源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形 (Y1),接至雙蹤示波器的 CH1(

10、X),用于觀察發(fā)射波形； 信號源面板上的接收端的接收波形 (Y2),接至雙蹤示波器的 CH2(Y),用于觀察接收波形。(2) 測定壓電陶瓷換能器系統(tǒng)的最佳工作點只有當換能器S1和S2發(fā)射面與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，應將外加的驅(qū)動信號頻率調(diào)節(jié)到發(fā)射換能器S1諧振頻率點處，才能較好地進行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，提高測量精度，以得到較好的實驗效果。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)聲速測試儀信號 源輸出電壓(100mV500mV之間)，調(diào)節(jié)信號頻率(在 2545kHz),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(34.5

11、37.5kHz之間)電壓幅度最大，同時聲速測試儀信號源的信號指示燈亮，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配的頻率點，記錄頻率v i ,改變S1和S2之間的距離，適當選擇位置 (即：至示波器屏上呈現(xiàn)出最大電壓波形幅度時的位置)，再微調(diào)信號頻率，如此重復調(diào)整，再次測定工作頻率，共測5次，取平均值一 0。(3) 用相位比較法(李薩如圖形)測量波長1) 將測試方法設置到連續(xù)波方式，連好線路，把聲速測試儀信號源調(diào)到最佳工作頻率0。2) 調(diào)節(jié)示波器： 打開示波器，先把“輝度”(INTEN )、“聚焦” (FOCUS)、“X位移”(POSITION )和“Y位移”(POSITION )旋扭旋至中間位置； “

12、掃描方式” (SWEEP MODE )選擇“自動” (AUTO)； “耦合” (COUPLING )選擇“ AC ”； “觸發(fā)源” (SOURCE )選擇“ INT”； 輸入信號與垂直放大器連接方式( AC-GND-DC )選擇“ AC ”； “內(nèi)觸發(fā)” (INT TRIG )選擇“ CH1-X-Y ”； 把“選擇掃描時間”(TIME/DIV )旋扭旋至“ X-Y ”，在“ Y方式”(VERT MODE )內(nèi),按下“ CH2-X-Y )”按鈕，使S2輕輕靠攏S1,然后緩慢移離 S2,觀察示波器的波形。當示波 器所顯示的李薩如圖形如圖3中時，記下S2的位置X!適當調(diào)節(jié)示波器上的“ V/cm ”或

13、信號源上的“發(fā)射強度”，可提高靈敏度； 依次移動S2,記下示波器上波形由圖3中(a)變?yōu)?圖3中(e)時，讀數(shù)標尺位置的讀數(shù)X2、X3、X4,共12個值； 記下室溫t ； 用逐差法處理數(shù)據(jù)。(4) 干涉法(駐波法)測量波長1) 按圖2所示連接好電路；2) 將測試方法設置到連續(xù)波方式，把聲速測試儀信號源調(diào)到最佳工作頻率一 0。將示波器的觸發(fā)源(SOURCE)選擇“ LINE ”，“選擇掃描時間” (TIME/DIV )旋至2q處。再共振頻率下，將S2移近S1處，緩慢移離S2,當示波器上出現(xiàn)振幅最大時，記下讀數(shù)標尺位置Xi3) 依次移動S2,記下各振幅最大時的 X2、X3 共12個值；4) 記下室

14、溫t ；5) 用逐差法處理數(shù)據(jù)。(5) 實驗中應注意的問題：1) 換能器發(fā)射端與接收端間距一般要在5cm以上測量數(shù)據(jù)，距離近時可把信號源面板上的發(fā)射強度減小，隨著距離的增大可適當增大；2) 示波器上圖形失真時可適當減小發(fā)射強度；3) 測試最佳工作頻率時，應把接收端放在不同位置處測量5次，取平均值。6. 測量記錄和數(shù)據(jù)處理室溫t =°C(1)陶瓷換能器系統(tǒng)最佳工作頻率次數(shù)i12345平均值 0mm(kHz)標尺讀數(shù)（mm）相距6個入的距離（mm）X仁X7= X1=X2 =X8= X2=X3 =X9= X3=X4 =X10= X4=X5 =X1仁 X5=X6 =X12= X6=（2）相位

15、比較法測量聲速Xi6mm已知聲速在標準大氣壓下與傳播介質(zhì)空氣的溫度關(guān)系為:Vs = （331.45 + 0.59t ） m / sP V 乂m / s100%標尺讀數(shù)（mm）相距6個入的距離（mm）X1'=X7'= X1 =X2上X8 '= X2 '=X3 '=X9 '= X3 '=X4 '=X10 z = X4 '=X5 '=X11 '= X5 '=X6上X12 '= X6 '=（3）共振干涉法測量聲速（根據(jù)課時選做內(nèi)容）X '=166 i 1Xi，=mm-,=1=6X &

16、#39;=mmVs = (331.45 + 0.59t ) m / sV' V' Vsm / sE ' 100%7. 聲波簡介聲波是一種頻率介于 20Hz20KHz的機械振動在彈性媒質(zhì)中激起而傳播的機械縱波。波長、強度、傳播速度等是聲波的重要參數(shù)。測量聲速的方法之一是利用聲速v與振動頻率f和波長入之間的關(guān)系(即 v=入f )求出，也可以利用 v=L / t求出，其中L為聲波傳播的路程，t為聲 波傳播的時間。超聲波的頻率為20KHz500MHz之間，它具有波長短、易于定向傳播等優(yōu)點。在同一媒質(zhì)中，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而在超聲波段進行傳播速度的測量比 較方便

17、，更何況在實際應用中，對于超聲波測距、定位、成像、測液體流速、測材料彈性模量、 測量氣體溫度瞬間變化和高強度超聲波通過會聚作醫(yī)學手術(shù)刀使用等方面都得到廣泛的應用， 超聲波傳播速度有其重要意義。我們通過媒質(zhì)(氣體、液體)中超聲波傳播速度測定來測量其聲波的傳播速度。8. 思考題(1) 測量聲速可以采用哪幾種方法？(2) 如何判斷測量系統(tǒng)是否處于共振狀態(tài)？(3) 如何確定最佳工作頻率？(4) 駐波中各質(zhì)點振動時振幅與坐標有何關(guān)系？(5) 實驗中，風是否會影響聲波的傳播速度？9. 超聲應用技術(shù)介紹*(1)無損探傷超聲波與普通聲波不同，它的頻率高、波長短、衍射不嚴重且具有良好的定向性。利用超 聲波定向發(fā)

18、射的性質(zhì)，可以在深海測量中探測水中物體；在工業(yè)上可用超聲波來探測工件內(nèi)部 的缺陷(例如氣泡、裂縫等)，稱為超聲探傷。超聲探傷的優(yōu)點是不損傷工件，而且超聲波在金 屬中穿透力強，可穿透幾十米，因而可探測大的工件。圖5是超聲波探傷儀的工作示意圖，該儀器由帶有顯示屏的主機和探頭組成，探頭是用來 發(fā)射與接收超聲波的，探頭的主要部分是由鋯鈦酸鉛(或鈦酸鋇)制成的薄晶片，厚度約 0.5mm,在薄片的兩面鍍上電極，電極通過引線與主機相連，當主機發(fā)射的幾兆赫的電訊號加在電極上 時，晶片由于壓電效應發(fā)射出超聲波。探傷時，將探頭放在工件的表面上，讓探頭發(fā)出一個超 聲脈沖，同時觀測主機顯示屏上脈沖出現(xiàn)的個數(shù)和幅度，判

19、別工件內(nèi)部是否有缺陷存在和缺陷 的大小、部位。探竟郡i枝按工件圖5超聲波探傷儀的工作示意1）超聲波穿透法探傷參見圖6所示，在探傷試樣相對的兩面上放置超聲波發(fā)射和接收探頭。如果試樣內(nèi)沒有缺 陷，則由發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波除正常吸收外，小部分傳播到接收探頭，并以某種方式指示出 來；如果在兩探頭之間存在著缺陷，超聲波就會在缺陷處被反射，此時接收到的超聲波信號很 弱甚至為零，故顯示器指示的信號很小或保持在零位。據(jù)此，就可確定缺陷的存在和大小。圖 6表明沿材料表面向右移動探頭，依次發(fā)現(xiàn)了小缺陷、大缺陷的情況。穿透法的缺點在于： 兩探頭必須相互對準，否則如稍有位移，探傷儀的指示隨即變動，探頭定位難；探頭與試樣 的接觸狀態(tài)使指示值受影響；當兩探頭之間的距離為某一適當值時，偶然會出現(xiàn)共振現(xiàn)象而 影響測量結(jié)果，因此穿透法探傷通常使用調(diào)頻連續(xù)波。圖6超聲波穿透探傷示意7所示的在實際工作中，往往會遇到不允許進行雙探頭雙面探測的情況，這時要采用如圖 方法，其原理與圖6所示相同。圖21-7反射式穿透探傷示意2）超聲波脈沖反射法探傷圖8所示為脈沖反射式探傷儀原理。由脈沖發(fā)生器發(fā)出的電脈沖直接加到探頭上，轉(zhuǎn)換成聲脈沖進入試樣，這個電脈沖同時又輸入到示波器，在熒光屏上出現(xiàn)一個發(fā)射脈沖，當超聲 波與試樣背面或缺陷相遇時，會產(chǎn)生反射，聲波返回探頭又產(chǎn)生一個交變電信號輸入到示波器 形成熒光屏上的