大物實(shí)驗(yàn)報(bào)告聲速測(cè)定(DOC)

1、聲速測(cè)定DF1027B、示波器引言：本實(shí)驗(yàn)使用了超聲聲速測(cè)定儀、低頻信號(hào)發(fā)生器（最終得出聲速，并與理論值進(jìn)行比較。(ST16B設(shè)計(jì)了共振干涉法、相位比較法、時(shí)差法來(lái)進(jìn)行超聲速的測(cè)定，并對(duì) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析， 關(guān)鍵詞：聲速測(cè)定。uses the ultrasonicvelocitymeasurement instrumentsig nalgen erator,oscillosc ope(ST16B) desig n theAbstract: This exp erime nt(DF1027B), low freque ncy resonance in terferometry, p has

2、e comp aris on method, the time differe nee method forsupersonic were measured, and the exp erime ntal data pro cess ing and an alysis,fin allyobta ins the sp eed of sound, and comp ared with the theoretical value.一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解超聲波換能器的工作原理和功能；2、學(xué)習(xí)不同方法測(cè)定聲速的原理和技術(shù)；3、熟悉測(cè)定儀和示波器的調(diào)節(jié)和使用；4、測(cè)定聲速在空氣中的傳播速度。二、儀器設(shè)備ZK

3、Y_SSS聲聲速測(cè)定儀、低頻信號(hào)發(fā)生器、示波器。三、實(shí)驗(yàn)原理由波動(dòng)理論得知，聲波的傳播速度v與聲波頻率 和波長(zhǎng)之間的關(guān)系為。所以只要測(cè)出聲波的頻率和波長(zhǎng)，就可以求出聲速。其中聲波頻率可由產(chǎn)生聲波的電信號(hào)發(fā)生器的振蕩 頻率讀出，波長(zhǎng)則可用共振法和相位比較法進(jìn)行測(cè)量。時(shí)差法可通過測(cè)量某一定間隔距離聲音傳播的時(shí)間來(lái)測(cè)量聲波的傳播速度。壓電陶瓷換能器本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。它主要由壓電陶瓷環(huán)片、 輕金屬鉛（做成喇叭形狀，增加輻射面積）和重金屬（如鐵、組成。壓電陶瓷片由多晶體結(jié)構(gòu) 的壓電材料鋯鈦酸鉛制成。 在壓電陶瓷片的兩個(gè)底面加上正弦交變電壓，它就會(huì)按正弦規(guī)律發(fā)生縱向伸縮，

4、從而發(fā)出超聲波。同樣壓電陶瓷可以在聲壓的作用下把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信 號(hào)。壓電陶瓷換能器在聲一電轉(zhuǎn)化過程中信號(hào)頻率保持不變。如圖1所示，S1作為聲波發(fā)射器，它把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波信號(hào)向空間發(fā)射。S2是信號(hào)接收器，它把接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)供觀察。其中S1是固定的，而S2可以左右移動(dòng)。共振法測(cè)量波長(zhǎng)改變接收器與發(fā)射此時(shí)等于半波。因此，若保持，即可得到該波的由聲源S1發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)（空氣）傳播到 S2，S2在接收聲波信號(hào)的同時(shí)反射部 分聲波信號(hào)。如果接收面（S2）與發(fā)射面（S1 ）嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射， 入射波與反射波相干涉形成駐波。反射面處是位移的波節(jié)，聲壓的波腹。源之間的

5、距離，在一系列特定的距離上，空氣中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。過壓電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電信號(hào)的電壓值也最大（示波器顯示波形的幅值最大） 頻率不變，通過測(cè)量相鄰兩次接收信號(hào)達(dá)到極大值時(shí)接收面之間的距離 波長(zhǎng)，并用計(jì)算出聲速。相位比較法測(cè)量波長(zhǎng)聲源S1發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場(chǎng)，聲場(chǎng)在介質(zhì)中任一點(diǎn)的振動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的，但它和聲源振動(dòng)的位相差 不隨時(shí)間變化。設(shè)聲源方程可寫成，距聲源x處S2接， 兩處振動(dòng)的位相差 W =2趙，若把兩處振動(dòng)分別輸入到示波器 x軸和y軸（如圖2所示），調(diào)節(jié)接收器使合振動(dòng)為一斜率為正的直線。當(dāng)，即 時(shí)，合振動(dòng)為一斜率為負(fù)的直線。當(dāng)x為其它值時(shí)，合振動(dòng)為橢圓。移動(dòng)S2，當(dāng)其合振

6、動(dòng)為直線的圖形斜率正、負(fù)更替變化一次，S2移動(dòng)的距離為一個(gè)波長(zhǎng)。準(zhǔn)確測(cè)定移動(dòng)的這個(gè)距離，再根據(jù)聲波頻率求 出聲波的傳播速度。時(shí)差法測(cè)量原理以上兩種方法測(cè)聲速都是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察兩個(gè)波間的相位差， 原理是正確的，但讀數(shù)位置不易確定。 較精確測(cè)量聲速是用聲波時(shí)差法。時(shí)差法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號(hào)加到發(fā)射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過時(shí)間后，到達(dá) 距離處的接收換能器，所以可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容準(zhǔn)備與聲速測(cè)量系統(tǒng)的連接1、示波器POWER開關(guān)置ON，調(diào)節(jié)亮度（INTENSITY ）和聚焦（FOCUS），使波形清晰。2、觸發(fā)源（T

7、RIG. SOURCE ）開關(guān)置INT， 觸發(fā)方式（TRIG.MODE ）開關(guān)置 AUTO，觸發(fā)電平（TRIG.LEVEL ）右旋至鎖定（LOCK）狀態(tài)。3、聲速測(cè)量時(shí)，專用信號(hào)源、測(cè)試儀、 示波器之間的連接方法見圖 9-4。諧振頻率的調(diào)節(jié)（1）將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)方式，按圖9-4 （a）所示連好線。按下 CH1開關(guān)，調(diào)節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號(hào)。（2）調(diào)節(jié)專用信號(hào)源上的“發(fā)射強(qiáng)度”旋鈕，使其輸出電壓在20VP-P左右，然后將換能器測(cè)試儀接線盒上的接收端接至示波器，將兩聲 能轉(zhuǎn)換探頭靠近，按下CH2開關(guān)，調(diào)整信號(hào)頻率，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻f。率點(diǎn)處（34.5kHz3

8、9.5kHz之間，因不同的換能器或介質(zhì)而異）電壓幅度最大，此頻率即 是壓電換能器 S1、S2相匹配的頻率點(diǎn)。（3）改變S1、S2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(hào)頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達(dá)到最大值。記錄此頻率共振干涉法測(cè)聲速（1 ）將S2移動(dòng)接近S1處（注意不要接觸），再緩緩地移動(dòng) S2，當(dāng)示波器上出現(xiàn)振幅信 號(hào)時(shí)時(shí)，記下位置 x0。（ 2）由近而遠(yuǎn)改變接收器 S2的位置， 可觀察到正弦波形發(fā)生周期 性的變化,逐個(gè)記下振幅最大的 x1 , x2 ,，x9共10個(gè)點(diǎn)。相位比較法測(cè)聲速（1）在共振干涉法實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 ，將示波器的X-Y控制鍵按下，即可觀察到橢圓。（2）使

9、S2稍靠攏S1，然后再慢慢地移離 S2，當(dāng)示波器屏上出現(xiàn)斜率為正的直線時(shí)，記下S2的位置。（3）移動(dòng)S2，依次記下示波器上斜率負(fù)、 正變化的直線出現(xiàn)時(shí) S2的對(duì)應(yīng)位置（4 ）記下實(shí)驗(yàn)室溫度 t。時(shí)差法測(cè)量聲速將測(cè)試方法設(shè)置到脈沖波方式，按圖9-4 （ b）所示連好線。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，使示波器上顯示的接收波信號(hào)幅度在400mV左右（峰峰值），以使計(jì)時(shí)器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值Li、ti（時(shí)間由聲速測(cè)試儀信號(hào)源時(shí)間顯示窗口直接讀出）。移動(dòng)S2，同時(shí)調(diào)節(jié)接收增益，使接收波信號(hào)幅度始終保持一致。每隔 10.00mm記錄下顯示的

10、時(shí)間值 L1、ti共10個(gè)點(diǎn)。當(dāng)使用液體為介 質(zhì)測(cè)試聲速時(shí)，先在測(cè)試槽中注入液體，直到把換能器完全浸沒，但不能超過液面線。 然后將信號(hào)源面板上的介質(zhì)選擇鍵切換至“液體”，并將連線接至插入接線盒的“液體”接線孔中，即可進(jìn)行測(cè)試，步驟與上相同。記下介質(zhì)溫度t Co 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及分析共振干涉儀測(cè)量空氣中的聲速測(cè)量次數(shù)i12345平均值位置Li/mm49.3253.5458.1062.8067.40測(cè)量次數(shù)i678910位置Li/mm72.0076.5081.1885.9090.40波長(zhǎng)入/mm9.0729.1849.2329.2409.2009.186諧振頻率 f=37.346KHZ 溫度 T

11、=237.15+12 K f 338.5 V實(shí)驗(yàn)=f 幾平均=343.04m/sV理論=331.45 +0.59( T/K 273.15)m/s =338.5m/sE斗V實(shí)驗(yàn)V理論1 / V理論* eo% = j33%相位比較法測(cè)量空氣中的聲速諧振頻率 f= 37.346KHZ 溫度 T= 237.15+12 K測(cè)量次數(shù)i12345平均值位置Li/mm49.6251.6059.4265.8076.10測(cè)量次數(shù)i678910位置Li/mm88.4097.86107.80117.00125.30波長(zhǎng)幾/mm7.7569.2529.67610.2409.8409.353v實(shí)驗(yàn)=f A 平均=349.3m/sE V實(shí)驗(yàn)V理論| / V理論* wo% =3.20%時(shí)差法測(cè)量聲速12345平均值測(cè)量次數(shù)i位置Li/mm507090110130329.76時(shí)差ti/也235.4303.2369.0429.