空氣液體介質(zhì)的聲速測(cè)量

1、空氣、液體介質(zhì)的聲速測(cè)量聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波，頻率低于的聲波稱為次聲波；頻率在的聲波可以被人聽(tīng)到，稱為可聞聲波；頻率在以上的聲波稱為超聲波。超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)因素有關(guān)。因而通過(guò)媒質(zhì)中聲速的測(cè)定，可以了解媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化。例如，測(cè)量氯氣（氣體）、蔗糖（溶液）的濃度、氯丁橡膠乳液的比重以及輸油管中不同油品的分界面，等等，這些問(wèn)題都可以通過(guò)測(cè)定這些物質(zhì)中的聲速來(lái)解決。可見(jiàn)，聲速測(cè)定在工業(yè)生產(chǎn)上具有一定的實(shí)用意義。同時(shí)，通過(guò)液體中聲速的測(cè)量，了解水下聲納技術(shù)應(yīng)用的基本概念?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解壓電換能器的功能，加深對(duì)駐波及振動(dòng)合成等理論知識(shí)的理解。2學(xué)習(xí)用共振干

2、涉法、相位比較法和時(shí)差法測(cè)定超聲波的傳播速度?！緦?shí)驗(yàn)原理】在波動(dòng)過(guò)程中波速、波長(zhǎng)和頻率之間存在著下列關(guān)系：，實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)測(cè)定聲波的波長(zhǎng)和頻率來(lái)求得聲速。常用的方法有共振干涉法與相位比較法。聲波傳播的距離與傳播的時(shí)間存在下列關(guān)系： ，只要測(cè)出和就可測(cè)出聲波傳播的速度，這就是時(shí)差法測(cè)量聲速的原理（本次實(shí)驗(yàn)略）。1共振干涉法（駐波法）測(cè)量聲速的原理:當(dāng)二束幅度相同，方向相反的聲波相交時(shí)，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。對(duì)于波束1：、波束2：，當(dāng)它們相交會(huì)時(shí)，疊加后的波形成波束3：，這里為聲波的角頻率，為經(jīng)過(guò)的時(shí)間，為經(jīng)過(guò)的距離。由此可見(jiàn)，疊加后的聲波幅度，隨距離按變化。如圖1所示。 壓電陶瓷換能器作為聲波發(fā)

3、射器，它由信號(hào)源供給頻率為數(shù)千周的交流電信號(hào)，由逆壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而換能器則作為聲波的接收器，正壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)輸入示波器，我們?cè)谑静ㄆ魃峡煽吹揭唤M由聲壓信號(hào)產(chǎn)生的正弦波形。聲源發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到，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（）與發(fā)射面（）嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與發(fā)射波相干涉形成駐波。我們?cè)谑静ㄆ魃嫌^察到的實(shí)際上是這兩個(gè)相干波合成后在聲波接收器處的振動(dòng)情況。移動(dòng)位置（即改變與之間的距離），你從示波器顯示上會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)在某些位置時(shí)振幅有最小值或最大值。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

4、相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為。為測(cè)量聲波的波長(zhǎng)，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時(shí)，緩慢的改變和之間的距離。示波器上就可以看到聲振動(dòng)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移動(dòng)過(guò)的距離亦為。超聲換能器至之間的距離的改變可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿的鼓輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲波測(cè)試儀信號(hào)源頻率顯示窗口直接讀出。在連續(xù)多次測(cè)量相隔半波長(zhǎng)的的位置變化及聲波頻率以后，我們可運(yùn)用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出聲速，用逐差法處理測(cè)量的數(shù)據(jù)。2相位法測(cè)量原理:聲源發(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。但它和聲源的振動(dòng)相位差不隨時(shí)間變化。設(shè)聲源方程為： 距聲源處接

5、收到的振動(dòng)為： 兩處振動(dòng)的相位差： 當(dāng)把和的信號(hào)分別輸入到示波器軸和軸，那么當(dāng)即時(shí)，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)為其它值時(shí)，合成振動(dòng)為橢圓（如圖2）。【實(shí)驗(yàn)儀器】實(shí)驗(yàn)儀器采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的型聲速測(cè)定儀及型聲速測(cè)定專用信號(hào)源各一臺(tái)。其外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。型聲速測(cè)量組合儀適用于空氣、液體介質(zhì)聲速測(cè)定使用；組合儀主要由儲(chǔ)液槽、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、數(shù)顯標(biāo)尺、壓電換能器等組成。壓電換能器供測(cè)量氣體和液體聲速用。作為發(fā)射超聲波用的換能器 固定在儲(chǔ)液槽的左邊，另一只接收超聲波用的接收換能器裝在可移動(dòng)滑塊上。上下兩只換能器的相對(duì)位移通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步行進(jìn)，并由數(shù)顯表頭顯示位移的

6、距離。發(fā)射換能器超聲波的正弦電壓信號(hào)由聲速測(cè)定專用信號(hào)源供給，換能器把接收到的超聲波聲壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，用示波器觀察；時(shí)差法測(cè)量時(shí)則還要接到專用信號(hào)源進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，測(cè)得的時(shí)間值具有保持功能?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】一聲速測(cè)量系統(tǒng)的連接聲速測(cè)量時(shí)：專用信號(hào)源、型測(cè)定儀、示波器之間，連接方法見(jiàn)圖5。 二諧振頻率的調(diào)節(jié) 根據(jù)測(cè)量要求初步調(diào)節(jié)好示波器。將專用信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)頻率調(diào)節(jié)到換能器的諧振頻率，以使換能器發(fā)射出較強(qiáng)的超聲波，能較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果，方法如下：1將專用信號(hào)源的“發(fā)射波形”端接至示波器，調(diào)節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號(hào)；2專用信號(hào)源的上“發(fā)射強(qiáng)度”旋

7、鈕，使其輸出電壓在左右，然后將換能器的接收信號(hào)接至示波器，調(diào)整信號(hào)頻率，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（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、相匹配頻率點(diǎn)，記錄此頻率 。3改變、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。共測(cè)次取平均頻率。三共振干涉法、相位法、時(shí)差法測(cè)量聲速的步驟：1共振干涉法（駐波法）測(cè)量波長(zhǎng):將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)方式。按前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二的方法，確定最佳工作頻率。觀察示波器，找到接收波形的最大值，記錄幅度為最大時(shí)的距離，由數(shù)顯尺上直接讀出或在機(jī)械刻度上讀出；記下位置 。然后，向著同方向轉(zhuǎn)

8、動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時(shí)波形的幅度會(huì)發(fā)生變化（同時(shí)在示波器上可以觀察到來(lái)自接收換能器的振動(dòng)曲線波形發(fā)生相移），逐個(gè)記下振幅最大的，共10個(gè)點(diǎn)，單次測(cè)量的波長(zhǎng) 。用逐差法處理這十個(gè)數(shù)據(jù)，即可得到波長(zhǎng) 。2相位比較法（李薩如圖法）測(cè)量波長(zhǎng)：將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式。確定最佳工作頻率，雙蹤示波器接收波接到“”，發(fā)射波接到“”，打到“” 顯示方式，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記下的位置，然后，向著同方向轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，使觀察到得波形為原來(lái)斜線斜率的負(fù)值，這時(shí)來(lái)自接受換能器的振動(dòng)波形發(fā)生了相移。依次記下示波器屏上斜率負(fù)、正變化的直線出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)位置，。單次波

9、長(zhǎng) 。多次測(cè)定用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長(zhǎng)。3、相位比較法測(cè)量液體介質(zhì)中的聲速（清水中）4干涉法、相位法的聲速計(jì)算：已知波長(zhǎng)和平均頻率（頻率由聲速測(cè)試儀信號(hào)源頻率顯示窗口直接讀出），則聲速 由于聲速還與介質(zhì)溫度有關(guān)，故請(qǐng)記下介質(zhì)溫度 ?！绢A(yù)習(xí)思考題】1、 何謂超聲波？聲速測(cè)量在實(shí)際中有何意義？為什么實(shí)驗(yàn)中利用超聲波測(cè)量聲速？2、 超聲波測(cè)量聲速原理基礎(chǔ)是什么？3、 什么叫駐波？其特點(diǎn)是什么？4、 如何得到李薩如圖形？5、 逐差法如何處理數(shù)據(jù)？其好處？【附錄一】超聲波的發(fā)射與接收壓電換能器壓電陶瓷超聲換能器能實(shí)現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。壓電換能器做波源具有平面性、單色性好以及方向性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)

10、，由于頻率在超聲范圍內(nèi)，一般的音頻對(duì)它沒(méi)有干擾。頻率提高，波長(zhǎng)就短，在不長(zhǎng)的距離中可測(cè)到許多個(gè)，取其平均值，的測(cè)定就比較準(zhǔn)確。這些都可使實(shí)驗(yàn)的精度大大提高。壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖6 。壓電換能器由壓電陶瓷片和輕、重兩種金屬組成。壓電陶瓷片（如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等）是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料做成，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后，具有壓電效應(yīng)。在簡(jiǎn)單情況下，壓電材料受到與極化方向一致的應(yīng)力時(shí)，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，它們之間有一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系；反之，當(dāng)與極化方向一致的外加電壓加在壓電材料上時(shí)，材料的伸縮形變與電壓也有線性關(guān)系。比例常數(shù)稱為壓電常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)。由于之間具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此我們可以將正弦交流電信號(hào)轉(zhuǎn)變成壓電材料縱向長(zhǎng)度的伸縮，成為聲波的聲源，同樣也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，用?lái)接收聲信號(hào)。在壓電陶瓷片的頭尾兩端膠粘兩塊金屬，組成夾心形振子。頭部用輕金屬做成喇叭型，尾部用重金屬做成柱型，中部為壓電陶瓷圓環(huán)，緊固螺釘穿過(guò)環(huán)中心。這種結(jié)構(gòu)增大了幅射面積，增強(qiáng)了振子與介質(zhì)的耦合作用，由于振子是以縱向長(zhǎng)度的伸縮直接影響頭部輕金屬作同樣的縱向長(zhǎng)度伸縮（對(duì)尾部重金屬作用?。@樣所發(fā)射的波方