《聲速的測定》實(shí)驗(yàn)論文

1、聲速的測定實(shí)驗(yàn)論文姓名：朱倩君學(xué)號：201400163033 同組者：季靜遠(yuǎn)一、 【摘要】聲波是一種頻率介于2020kHz的機(jī)械波。波長、強(qiáng)度、傳播速度等是聲波的重要參數(shù)。超聲波的頻率在20500MHz，超聲波的傳播速度在同一介質(zhì)中與聲速相同，但它具有波長短、穿透能力強(qiáng)、易于定向傳播等優(yōu)點(diǎn)，因而在超聲波段進(jìn)行聲速的測量比較方便。在實(shí)際應(yīng)用中，對于用超聲波測距、定位、測流體流速、測量材料彈性模量、測量氣體溫度瞬間變化等方面，超聲波傳播速度都有重要意義。測定了聲速就可以了解被測介質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)及變化，如進(jìn)行氣體成分分析，測定液體密度、濃度等。在化工學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料的實(shí)驗(yàn)研究方面都有廣泛應(yīng)用1、2、

2、【實(shí)驗(yàn)名稱】 超聲波聲速的測量 3、 【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)四、 【儀器用具】1、SV-DH-3型聲速測定儀段 （資產(chǎn)編號）2、雙蹤示波器 （資產(chǎn)編號）3、SVX-3型聲速測定信號源（資產(chǎn)編號）4、超聲波與壓電陶瓷換能器頻率20Hz-20kHz的機(jī)械振動在彈性介質(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2060kHz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。報(bào)告壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式

3、，分為縱向（振動）換能器、徑向（振動）換能器及彎曲振動換能器。聲速教學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的大多數(shù)采用縱向換能器。五、實(shí)驗(yàn)原理1.共振干涉法（駐波法）測量聲速假設(shè)在無限聲場中，僅有一個點(diǎn)聲源S1（發(fā)射換能器）和一個接收平面（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 /)，信號相位與1相反，幅度A1A。1與2在反射平面相交疊加，合成波束3=1+2=(A1+A2）cos（t-2x /)+A1cos（t+2x /) =A1cos(2x /)cos

4、t+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。實(shí)驗(yàn)裝置，S1和S2為壓電陶瓷換能器。S1作為聲波發(fā)射器，它由信號源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號，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)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號產(chǎn)生的正弦波形。由于S2在接收聲波的同時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。我們在示波器上觀察到的

5、實(shí)際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器S2處的振動情況。移動S2位置（即改變S1和S2之間的距離），你從示波器顯示上會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)S2在某此位置時振幅有最小值。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，緩慢的改變S1和S2之間的距離。示波器上就可以看到聲振動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)動鼓輪來實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲速測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀出。在連續(xù)

6、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)。2. 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 /) 即對于波束：1 =Acos（t - 2x /)由此可見，在經(jīng)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。3. 時差法測量原理連續(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時間后，到達(dá)L距離處的接收換能器。由運(yùn)動定律可知，聲波在介質(zhì)中傳播的速度

7、可由以下公式求出：速度V=距離L/時間t通過測量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時間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 測量裝置的連接：信號源面板上的發(fā)射端換能器接口（S1），用于輸出一定頻率的功率信號，請接至測試架的發(fā)射換能器（S1）；信號源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形Y1，請接至雙蹤示波器的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)

8、射面和S2的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(yīng)將外加的驅(qū)動信號頻率調(diào)節(jié)到換能器S1、S2的諧振頻率點(diǎn)處時，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點(diǎn)處的信號頻率，估計(jì)一下示波器的掃描時基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，使聲速測試儀信號源輸出合適的電壓（810VP-P之間），再調(diào)整信號頻率（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)整時接收波的電壓幅

9、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)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時波形的幅度會發(fā)生變化，記錄下幅度為最大時的距離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（必須是一個方向）移動距離，當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時，記錄下此時的距離Li。即有：波長i=2Li

10、-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)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記錄下此時的距離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（必須是一個方向）移動距離，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源頻率顯示窗口直接讀出。）則聲速Ci=i

11、5;f i。因聲速還與介質(zhì)溫度有關(guān)，所以必要時請記下介質(zhì)溫度t。 5. 時差法測量聲速步驟將測試方法設(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，使顯示的時間差值讀數(shù)穩(wěn)定，此時儀器內(nèi)置的計(jì)時器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和信號源計(jì)時器顯示的時間值Li-1、ti-1。移動S2，如果計(jì)時器讀數(shù)有跳字，則微調(diào)（距離增大時，順時針調(diào)節(jié)；距離減小時，逆時針調(diào)節(jié)）接收增益，使計(jì)時器讀數(shù)連續(xù)準(zhǔn)確變化。記錄下這時的距離值和顯示的時間值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

12、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使用時應(yīng)避免聲速測試儀信號源的功率輸出端短路。3聲速測量儀上的手輪只能向一個方向旋轉(zhuǎn)，不然要出現(xiàn)空回誤差。七、【數(shù)據(jù)處理】壓電陶瓷換能器系統(tǒng)最佳工作頻率室溫t=20.0n12345平均值f/kHz35.56535.55735.55435.55635.53935.5542共振干涉法測量波長i+8910111213141516Li+8/cm13.304213.834114.241314.821315.264715.791816.233916.7852i12345678Li/cm9.38519.918210.346410.891311.3538

13、11.864512.335412.8509Li+8-li3.91913.91593.89493.933.91093.92733.89853.9343=0.979090625cm=348.107839m/s共振干涉法測量波長i+8910111213141516Li+8/cm13.65614.145214.61915.107115.569116.067816.550817.0531i12345678Li/cm9.758410.247110.625111.245311.674212.186912.63813.1602Li+8-li3.89763.89813.99393.86183.89493.880

14、93.91283.8929=0.976028125cm=347.0189916m/s8、 實(shí)驗(yàn)中的問題及分析。1、 示波器所示最大值隨距離增加而衰減。在實(shí)驗(yàn)中,有時會觀察到示波器上聲壓極大值的幅度隨換能器之間的距離的增大呈幾何衰減,為球面波的特征。從中可以看出,測量段聲波為球面波,球面波按漢開克函數(shù)展開,取其實(shí)部為貝塞爾函數(shù),它是不等周期函數(shù),其極大值之間的間距不等。2、 實(shí)驗(yàn)過程中壓電陶瓷工作頻率出現(xiàn)變動。調(diào)節(jié)超聲波的諧振頻率時出現(xiàn)誤差。在測量超聲波聲速過程中,當(dāng)信號發(fā)生器輸出的正弦波頻率與聲速測量儀發(fā)射換能器中壓電陶瓷環(huán)的固有頻率相等時,該正弦波頻率稱為諧振頻率,在諧振頻率下,示波器上會出

15、現(xiàn)電壓信號的最大值,發(fā)射換能器工作頻率等于其本身的諧振基頻時,其工作狀態(tài)是最佳的,可以取得最大的發(fā)射功率和效率。而聲速測量儀的發(fā)射器與接收器的距離為/2的整數(shù)倍時,產(chǎn)生共振干涉,即使不在諧振頻率下,示波器上電壓信號也會出現(xiàn)極大值。諧振頻率與距離為/2的整數(shù)倍時的共振干涉頻率,是實(shí)驗(yàn)中容易混淆的問題,給諧振頻率的調(diào)節(jié)帶來一定的困難。另外,聲速測量儀中發(fā)射器的固有頻率,還會隨環(huán)境溫度的升高而降低。3、減小誤差的措施 (1)壓電換能器的反射面與接收面距離為1115m時開始測量,這樣傳播到接收換能器反射面的聲波已經(jīng)為標(biāo)準(zhǔn)的簡諧平面波,從而經(jīng)反射疊加形成標(biāo)準(zhǔn)駐波,這樣測得的/2為常數(shù),與測量位置無關(guān)。如表1所示。從表中數(shù)據(jù)分析可以看出,當(dāng)所測數(shù)據(jù)的起始位置大于1m時,所得超聲波速度的結(jié)果的相對誤差要比起始位置小于1m時所測結(jié)果的相對誤差小得多。(2)在設(shè)備上,使用大功率換能器和電子濾波放大電路也會使誤差減小,而且易于觀察記錄。(3)反射面用硬質(zhì)材料做成,尺寸增大,會使反射效率提高,也可以減小由反射面產(chǎn)生的散射波對駐波場的影響。(4)改變信號發(fā)生器的輸出頻率f,當(dāng)連續(xù)增大f時,示波器上的電壓信號的大小也發(fā)生變化。當(dāng)f接近諧振頻率時,示波器上的電壓信號也慢慢達(dá)到極大值U,記下此時的信號發(fā)生器的輸出頻率f;增大發(fā)射換能器與接收換