聲速測(cè)量講義

1、聲速的測(cè)定在彈性介質(zhì)中，頻率從 20 Hz到20 kHz的振動(dòng)所激起的機(jī)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(zhǎng)短、穿透本領(lǐng)強(qiáng)、易于定向發(fā)射 等優(yōu)點(diǎn)，常用作聲速測(cè)量中的波源。超聲波在測(cè)距、定位、測(cè)液體流速和測(cè)量氣體溫度等方面有其顯著的優(yōu)勢(shì)，尤其是在臨床醫(yī)學(xué)中，超聲、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(cè)量都具有重要意義。一.實(shí)驗(yàn)?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(shí)差法測(cè)量空氣中的聲速；3. 進(jìn)一步熟悉示波器的使用；4學(xué)習(xí)用逐差法處理測(cè)量數(shù)據(jù)。.實(shí)驗(yàn)儀器SV-DH系列聲速測(cè)試儀，MDS-620雙蹤示波器，聲速測(cè)試儀信號(hào)源。三實(shí)驗(yàn)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)RTM式中丫是比熱容比（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 度。從式（1）可見，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 雜質(zhì)的影響，在 0C（ To=237.15K ）時(shí)的聲速= 331.45 m

3、sVtt273.15（2）2）式可計(jì)算出聲速，（2）在t C時(shí)空氣中的聲速為式（2 ）中的室溫t可從干濕溫度計(jì)（見附錄）上讀出。由（ 式可作為空氣中聲速的理論計(jì)算公式。2.超聲波與壓電陶瓷換能器圖1 超聲波縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖扌一端接收超聲波。輻射頭為喇叭狀,本實(shí)驗(yàn)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(dòng)）、橫向（振動(dòng)）和彎曲振動(dòng)三種，教學(xué) 實(shí)驗(yàn)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(jī)械振動(dòng)，因而在彈性介質(zhì)（空氣）中激發(fā)出聲波，再利用壓電

4、晶體的壓電效應(yīng);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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為幾毫米。3.測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)是利用頻率f與波長(zhǎng)，和聲速V之間的關(guān)系，測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度。 聲波的頻率f、波長(zhǎng)和波速V之間的關(guān)系為v = f （3）只要測(cè)出聲波的頻率和波長(zhǎng)，就可以求出聲速。 其中聲波的頻率可通過測(cè)量聲源（信號(hào)發(fā)生器）的振動(dòng)頻率得出，本實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)就是測(cè)量聲波的波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)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(shí)差法。（1）駐波法（共振干涉法）測(cè)量波長(zhǎng)如圖2所示，由超聲波發(fā)射探頭 Si發(fā)出的平面超

5、聲波在空氣中傳播，到達(dá)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(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，入射波和反射波疊加形成駐波。駐波相鄰兩波節(jié)或兩波腹間的距離為半波長(zhǎng)（人/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， 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(zhǎng)。 當(dāng)改 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(gè)周期，換能器Si和S2間距離變化即為半波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)可在游標(biāo)尺上讀出波形幅度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的一系列數(shù) 值，用逐差法求出波長(zhǎng) 超聲波頻率由信號(hào)發(fā)生器讀出，則聲速由式（

6、3）求出。（2）行波法（相位比較法）測(cè)量波長(zhǎng)當(dāng)換能器Si發(fā)出的超聲波通過介質(zhì)到達(dá)接收換能器S2時(shí)，在任一時(shí)刻，發(fā)射波與接收波之間有一相位差：，設(shè)兩換能器間距離為I，則= 2:.（ 4）Z當(dāng)Si和S2之間的距離I每改變一個(gè)波長(zhǎng)，相位差就改變2 n即可通過相位變化來求波長(zhǎng) k。相位比較法的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。將示波器置于“ X-Y ”狀態(tài)，然后將發(fā)射換能器Si和接收換能器 S2的正弦電壓信號(hào)分別接入示波器的X、Y輸入端，在熒光屏上便顯示出這兩個(gè)相互垂直的諧振動(dòng)疊加形成的李薩如圖形。由于兩信號(hào)的頻率相同，其圖形為橢圓或斜線。圖形變化與相位差 的關(guān)系如圖3所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)可選擇合成圖形呈斜直線時(shí)作為測(cè)量起

7、點(diǎn)，當(dāng)Si和S2之間的距離I每改變一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)重復(fù)出現(xiàn)同樣斜率的直線，于是，讀出一系列I值，可求出波長(zhǎng)，由式（3）算出聲速V。圖3 李薩如圖形與兩垂直簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的相位差（3）時(shí)差法測(cè)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(cè)介質(zhì)中，經(jīng)時(shí)間t后，到達(dá)I距離處的接收換能器。波速由公式 v =-得出。t利用時(shí)間窗口顯示出 Si到S2間距離I的時(shí)間t,從數(shù)顯尺上讀出 Si及S2間的相對(duì)距離, 即可計(jì)算得出波速。四實(shí)驗(yàn)儀器1. SV-DH-7A 聲速測(cè)試儀2. SVX -7聲速測(cè)試儀信號(hào)源3. MDS-620示波器MDS<6204 儀器整體圖五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1連接儀器如圖2連接好儀器，儀器在使用

8、之前，開機(jī)預(yù)熱10分鐘，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)。并觀察Si及S2是否平行。2. 測(cè)量信號(hào)源的輸出頻率 fo將示波器下半部分工作方式置于CH2位置，觀察示波器接收到的信號(hào)，移動(dòng)S2 （ S2為接受器，可移動(dòng)）使 Si （發(fā)射器，不可移動(dòng)）到 S2間距離約為5 cm左右，調(diào)節(jié)信號(hào)源發(fā)射 強(qiáng)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(hào)頻率 旋鈕，從最小開始調(diào)起，同時(shí)觀察輸入信號(hào)圖形（S2的信號(hào)波形），尋找到信號(hào)最強(qiáng)處，此時(shí)信號(hào)源左下角信號(hào)指示燈穩(wěn)亮。這時(shí)的信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率就是本系統(tǒng)的諧振頻率（工作頻率f。）。自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表格，測(cè)

9、量三次諧振頻率，求出平均值。3. 用共振干涉法測(cè)量波長(zhǎng)和聲速沿固定方向緩慢移動(dòng) S2,觀察示波器上信號(hào)的變化情況，選擇一個(gè)信號(hào)的最大位置（波腹位置），在繼續(xù)移動(dòng)S2的同時(shí)，自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表格，記錄下每次信號(hào)的最大位置Xi,取i=10，用逐差法求出聲波波長(zhǎng)和誤差，利用諧振頻率fo計(jì)算出聲波波長(zhǎng)。注意當(dāng) Si及S2的間距比較遠(yuǎn)時(shí)，接收到的信號(hào)將有所衰減。記錄實(shí)驗(yàn)室室溫t，將測(cè)量值與利用公式（2）所得值進(jìn)行比較，對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論。4. 用相位比較法測(cè)量波長(zhǎng)和聲速將示波器調(diào)至信號(hào)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 =0）,緩慢移動(dòng)S2，如圖3，當(dāng)重復(fù)出現(xiàn)該圖

10、形時(shí)說明位相變化了2二，即Si及S2之間移動(dòng)了一個(gè)波長(zhǎng)。 繼續(xù)沿同一方向移動(dòng) S2,自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表格， 測(cè)量i0個(gè)周期， 用逐差法處理數(shù)據(jù)，得出波長(zhǎng)、聲速及誤差，并與利用公式（2 ）所得值進(jìn)行比較，對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論。5. 用時(shí)差法測(cè)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?yàn)閮砷g距太近或太遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)干擾太多。固定Si,記錄S2時(shí)的Li, Ti，再移動(dòng)S2至某一位置L2,測(cè)量T2。若此時(shí)時(shí)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(shí)間顯示穩(wěn)定時(shí)，記錄時(shí)間T，計(jì)算波速V，L2LiT2 -Ti自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表格，要求測(cè)量5次波速，取平均值。采用時(shí)差法測(cè)量比較準(zhǔn)確， 信號(hào)源內(nèi)有單片機(jī)計(jì)時(shí)裝置，具有8位有效數(shù)字，同時(shí)信號(hào)測(cè)量為隨機(jī)測(cè)量，不因?yàn)槟繙y(cè)信號(hào)的大小而產(chǎn)生誤差。在測(cè)量固體及液體中的聲速時(shí)，由于固體雜質(zhì)或氣泡等因素的影響，最好用時(shí)差法來進(jìn)行測(cè)量。六. 數(shù)據(jù)處理i 用逐差法處理數(shù)據(jù)，計(jì)算空氣中的聲速并比較與理論計(jì)算值的差異。七. 注意事項(xiàng)1. 測(cè)量聲波