聲速測量講義

1、聲速的測定在彈性介質(zhì)中，頻率從 20 Hz到20 kHz的振動所激起的機械波稱為聲波，高于20kHz ,稱為超聲波，超聲波的頻率范圍在2X 104 Hz -5X 108 Hz之間。超聲波能在固體、液體和氣體中傳播，傳播速度就是聲波的傳播速度。超聲波具有波長短、穿透本領(lǐng)強、易于定向發(fā)射 等優(yōu)點，常用作聲速測量中的波源。超聲波在測距、定位、測液體流速和測量氣體溫度等方面有其顯著的優(yōu)勢，尤其是在臨床醫(yī)學(xué)中，超聲、電子技術(shù)和計算機的完美結(jié)合，在研究人體內(nèi)部組織超聲物理特性和病變間的某些規(guī)律方面，已成為不可缺少的診療手段，并發(fā)展為一門邊緣學(xué)科即超聲診斷學(xué)。聲速作為超聲波的重要參數(shù)，無論是基礎(chǔ)研究，還是臨

2、床應(yīng)用， 它的測量都具有重要意義。一. 實驗?zāi)康?了解超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射和接收的原理；2. 用駐波法、位相法和時差法測量空氣中的聲速;3 進一步熟悉示波器的使用；4學(xué)習(xí)用逐差法處理測量數(shù)據(jù)。二. 實驗儀器SV-DH系列聲速測試儀，MDS-620雙蹤示波器，聲速測試儀信號源。三. 實驗原理 1聲波在空氣中的傳播速度聲波在理想氣體中的傳播速度為(1)式中丫是比熱容比（ 度。從式（1）可見, 雜質(zhì)的影響，在0C丫 =Cp/Cv） , R是普適氣體常數(shù)，M是氣體的摩爾質(zhì)量，T是熱力學(xué)溫 溫度是影響空氣中聲速的主要因素。如果忽略空氣中的水蒸氣和其他（To=237.15K ）時的聲速/y rtv0=331

3、.45 m/s在t C時空氣中的聲速為(2)式（2）中的室溫t可從干濕溫度計（見附錄）上讀出。由（2）式可計算出聲速，（2）式可作為空氣中聲速的理論計算公式。-8 -2.超聲波與壓電陶瓷換能器本實驗采用壓電陶瓷換能器作為超聲波的發(fā) 射器和接收器。壓電陶瓷換能器的工作方式分為縱 向（振動）、橫向（振動）和彎曲振動三種，教學(xué) 實驗中大多采用縱向換能器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，它是利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，即在交變電壓的作 用下，壓電晶體產(chǎn)生機械振動，因而在彈性介質(zhì)Oft莊電jgfjg圖1超聲波縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖（空氣）中激發(fā)出聲波，再利用壓電晶體的壓電效應(yīng)在另

4、一端接收超聲波。輻射頭為喇叭狀,使發(fā)射和接收超聲波有一定的方向角，且能量比較集中。本實驗的壓電陶瓷晶片的振 蕩頻率范圍在25KHZ45KHz,產(chǎn)生的超聲波的波長為幾毫米。3. 測量聲速的實驗原理本實驗是利用頻率f與波長A和聲速V之間的關(guān)系，測量超聲波在空氣中的傳播速度。 聲波的頻率f、波長幾和波速V之間的關(guān)系為只要測出聲波的頻率和波長，就可以求出聲速。 其中聲波的頻率可通過測量聲源（信號發(fā)生器）的振動頻率得出，本實驗的主要任務(wù)就是測量聲波的波長，實驗采用的方法是：駐波法（共振干涉法）、行波法（相位比較法）以及時差法。（1）駐波法（共振干涉法）測量波長如圖2所示，由超聲波發(fā)射探頭 Si發(fā)出的平面

5、超聲波在空氣中傳播，到達接收換能器S2平面上反射，當(dāng)兩換能器端面之間的距離恰為半波長的整數(shù)倍時，入射波和反射波疊加形成駐波。圖2實驗裝置與工作原理示意圖駐波相鄰兩波節(jié)或兩波腹間的距離為半波長（Z/2 ）。聲波是縱波，在聲駐波中，波腹（介質(zhì)密度）處聲壓小，接收換能器上輸出的電壓幅度也小；波節(jié)（介質(zhì)密度大）處聲壓大,當(dāng)改接收換能器上輸出的電壓幅度也大。因此，可根據(jù)換能器上輸出電壓的大小來求波長。變換能器間距離，示波器上所顯示的波形幅值將作周期性變化。每變化一個周期，換能器3）求出。則聲速由式（Si和S2間距離變化即為半波長。實驗時可在游標(biāo)尺上讀出波形幅度最大時對應(yīng)的一系列數(shù) 值，用逐差法求出波長

6、A,超聲波頻率由信號發(fā)生器讀出，（2）行波法（相位比較法）測量波長當(dāng)換能器Si發(fā)出的超聲波通過介質(zhì)到達接收換能器 波之間有一相位差 包設(shè)兩換能器間距離為I，則護=2兀-當(dāng)Si和S2之間的距離I每改變一個波長，相位差就改變 相位比較法的實驗裝置如圖2所示。將示波器置于Si和接收換能器 S2的正弦電壓信號分別接入示波器的 這兩個相互垂直的諧振動疊加形成的李薩如圖形。 斜線。圖形變化與相位差的關(guān)系如圖3所示。實驗時可選擇合成圖形呈斜直線時作為測量起點，當(dāng) 波長A時，會重復(fù)出現(xiàn)同樣斜率的直線，于是，讀出一系列 算出聲速v。S2時，在任一時刻，發(fā)射波與接收2n即可通過相位變化來求波長入。 “ X-Y ”

7、狀態(tài)，然后將發(fā)射換能器X、Y輸入端，在熒光屏上便顯示出由于兩信號的頻率相同，其圖形為橢圓或Si和S2之間的距離I每改變一個I值，可求出波長A ,由式（3）t后，到達I距離處的接收（3）時差法測量波速連續(xù)波經(jīng)過脈沖調(diào)制后由發(fā)射換能器至被測介質(zhì)中，經(jīng)時間換能器。波速由公式 v =-得出。t利用時間窗口顯示出 Si到S2間距離I的時間t，從數(shù)顯尺上讀出Si及S2間的相對距離,即可計算得出波速。四.實驗儀器1.SV-DH-7A 聲速測試儀9；3/=:Lt-c-八*泌-畑2.SVX -7聲速測試儀信號源4Ib«AOrSMiM出植1 UAHIM/ BWrlpt-iAM iV 1$C 1. j 腳

8、蘭I a匚3.MDS-620示波器|yi0S-20k勺弘感叫南_IT?3，E目宀血益 W頡.2贓二遇辻.爲(wèi)4. 儀器整體圖五.實驗內(nèi)容及步驟1連接儀器如圖2連接好儀器，儀器在使用之前，開機預(yù)熱 擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)。并觀察10分鐘，自動工作在連續(xù)波方式，選 Si及S2是否平行。2.測量信號源的輸出頻率fo將示波器下半部分工作方式置于接受器，可移動）使 Si （發(fā)射器，不可移動）到 S2間距離約為5 cm左右，調(diào)節(jié)信號源發(fā)射 強度旋鈕，使輸出（發(fā)射端 Si）的正弦幅度（峰峰值）約為 10V15V左右，調(diào)節(jié)信號頻率 旋鈕，從最小開始調(diào)起，同時觀察輸入信號圖形（S2的信號波形），尋找到信號最強處

9、，此時信號源左下角信號指示燈穩(wěn)亮。這時的信號發(fā)生器的輸出頻率就是本系統(tǒng)的諧振頻率 作頻率fo）。自行設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格，測量三次諧振頻率，求出平均值。CH2位置，觀察示波器接收到的信號，移動S2 （S2為（工3.用共振干涉法測量波長和聲速沿固定方向緩慢移動 S2,觀察示波器上信號的變化情況，選擇一個信號的最大位置腹位置），在繼續(xù)移動S2的同時，自行設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格，記錄下每次信號的最大位置 取i=10，用逐差法求出聲波波長和誤差，利用諧振頻率fo計算出聲波波長。注意當(dāng)?shù)拈g距比較遠時，接收到的信號將有所衰減。記錄實驗室室溫t，將測量值與利用公式（2）所得值進行比較，對結(jié)果進行討論。（波Xi,Si

10、及 S24.用相位比較法測量波長和聲速將示波器調(diào)至信號合成狀態(tài)，TIME/DIV旋鈕置于X-Y方式。觀察示波器出現(xiàn)的李薩如圖形（比如 40）,緩慢移動S2，如圖3，當(dāng)重復(fù)出現(xiàn)該圖形時說明位相變化了2!，即Si及S2之間移動了一個波長。繼續(xù)沿同一方向移動 S2,自行設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格，測量10個周期，用逐差法處理數(shù)據(jù)，得出波長、聲速及誤差，并與利用公式（2 ）所得值進行比較，對結(jié)果進行討論。5.用時差法測量聲速（此步驟與示波器無關(guān)）將Si及S2之間距離調(diào)節(jié)至50mm，這是因為兩間距太近或太遠時，信號干擾太多。固定Si,記錄S2時的Li, Ti，再移動S2至某一位置L2,測量T2。若此時時間顯示窗口數(shù)字 變化較大，可通過調(diào)節(jié)接收增益來調(diào)整，當(dāng)時間顯示穩(wěn)定時，記錄時間T,計算波速V,T2 -Ti °自行設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格，要求測量5次波速，取平均值。采用時差法測量比較準(zhǔn)確， 信號源內(nèi)有單片機計時裝置，具有8位有效數(shù)字，同時信號測量為隨機測量，不因為目測信號的大小而產(chǎn)生誤差。在測量固體及液體中的聲速時，由于固體雜質(zhì)或氣泡等因素的影響，最好用時差法來進行測量。六.數(shù)據(jù)處理1. 用逐差法處理數(shù)據(jù)，計算空氣中的聲速并比較與理論計算值的差異。七.注意事項1