超聲聲速測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)3.12 超聲聲速的測(cè)量聲波是一種機(jī)械波，它可以在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)中傳播，它會(huì)引起物質(zhì)的光學(xué)、電磁、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)以及人類生理、心理等性質(zhì)的變化。人耳能聽到的聲波稱為可聞聲波，頻率在20Hz20kHz之間，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，頻率高于20kHz則稱為超聲波。超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，聲速、聲衰減和聲阻抗都和媒質(zhì)的特性及狀態(tài)有關(guān)，通過測(cè)量這些聲學(xué)量可以探知媒質(zhì)的特性和狀態(tài)變化。這些聲學(xué)量的測(cè)量方法就是超聲無損檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。由于媒質(zhì)中的聲速與媒質(zhì)的許多非聲學(xué)特性都有直接或間接的關(guān)系，所以通過聲速的測(cè)量可以求出固體媒質(zhì)的彈性模量，進(jìn)行氣體成分分析，測(cè)定液體的比重，液體的成分及溶液

2、濃度等。利用媒質(zhì)的溫度、壓強(qiáng)、流速與聲速的關(guān)系則可以探測(cè)這些狀態(tài)參量的變化。媒質(zhì)中的聲速是應(yīng)用最廣而且測(cè)量精度也較高的聲學(xué)量。測(cè)量聲速依據(jù)的原理可以是（表示聲音傳播的距離，表示通過這段距離的時(shí)間），也可以是（為聲波的頻率，為聲波的波長(zhǎng)）。本實(shí)驗(yàn)采用的共振干涉法和相位比較法均屬于后者。一、預(yù)備問題1 壓電換能器是如何工作的？2 聲波在媒質(zhì)中傳播的速度與哪些因素有關(guān)？3 何為共振干涉法和相位比較法？二、引言1超聲波的發(fā)射和接收超聲波的發(fā)射和接收都需要用換能器，換能器的作用是將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量（發(fā)射換能器），或?qū)⒊暡ǖ哪芰哭D(zhuǎn)換為其它可以檢測(cè)的能量（接收換能器）。最常使用的是壓電換能

3、器。壓電晶體（如石英）或壓電陶瓷（如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛）這類壓電材料受到應(yīng)力T的作用會(huì)在材料內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)E，且滿足（為壓電常數(shù)），這就是壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是法國(guó)人居里兄弟1880年在研究熱電現(xiàn)象和晶體對(duì)稱性的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的。壓電換能器接收超聲波信號(hào)使之轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，利用的就是壓電效應(yīng)原理。當(dāng)超聲波頻率與系統(tǒng)固有（共振）頻率一致時(shí)所產(chǎn)生的電信號(hào)最強(qiáng)。壓電材料還具有逆壓電效應(yīng)，壓電材料在電場(chǎng)E的作用下產(chǎn)生伸縮形變S，且滿足（d為伸縮常數(shù)），在交變電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生周期性的收縮和伸長(zhǎng)，當(dāng)外加電場(chǎng)的頻率和壓電體固有頻率相同時(shí)振幅最大。發(fā)射換能器利用逆壓電效應(yīng)就可以將電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)能

4、，在周圍媒質(zhì)中激發(fā)超聲波。2聲速的測(cè)量聲波在媒質(zhì)中傳播的速度決定于媒質(zhì)的密度、彈性模量等性質(zhì)。聲波在液體和固體中的傳播速度一般大于在氣體中的傳播速度。聲速也和媒質(zhì)的壓強(qiáng)、溫度等狀態(tài)有關(guān)，因?yàn)闇囟茸兓话惚葔簭?qiáng)大，所以溫度對(duì)聲速的影響也比較大。若頻率已知，測(cè)出波長(zhǎng)即可根據(jù)波長(zhǎng)、頻率和聲速三者的關(guān)系求出波速。（1）共振干涉法測(cè)聲速如圖3.12-1 所示，S1、S2都是壓電換能器，兩者相互平行。由低頻信號(hào)發(fā)生器輸出的頻率為f的正弦電信號(hào)激勵(lì)超聲波發(fā)射器S1發(fā)射出沿x方向傳播的近似平面超聲波，經(jīng)超聲波接收器S2反射后，在兩端面間來回傳播并疊加而形成駐波（嚴(yán)格地說還有行波的成份）。在駐波場(chǎng)中，x處空氣質(zhì)

5、點(diǎn)的位移y可表示為 （3.12-1）式中a為聲波的振幅，為聲波的角頻率，為波數(shù)，為聲波的波長(zhǎng)，l為S1與S2間的距離。對(duì)于某一確定的l，在駐波場(chǎng)中滿足的那些地方，位移達(dá)到最大而形成波腹；而在滿足的那些地方，位移為零而成為波節(jié)。兩相鄰波腹或波節(jié)之間的距離均為。在駐波場(chǎng)中，空氣質(zhì)點(diǎn)位移y的圖像不能被直接觀測(cè)，而聲壓p卻可以通過儀器觀測(cè)。聲壓p就是空氣中由于聲擾動(dòng)而引起的超出靜態(tài)大氣壓強(qiáng)的那部分壓強(qiáng)，根據(jù)聲學(xué)理論，聲壓p的駐波可以表示為 （3.12-2）其中為空氣的靜密度。同樣在駐波場(chǎng)中會(huì)形成聲壓的波腹和波節(jié)，兩相鄰波腹或波節(jié)之間的距離也為，所不同的是空氣質(zhì)點(diǎn)位移總是最大的地方卻是聲壓的波節(jié)，而空氣

6、質(zhì)點(diǎn)總是靜止的地方卻是聲壓的波腹。圖3.12-1 共振干涉法測(cè)聲速游標(biāo)卡尺信號(hào)源信號(hào)放大器S1S2示波器 若將接收到的超聲波聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再輸入示波器，當(dāng)發(fā)射頻率固定時(shí)，移動(dòng)S2，改變兩者的相對(duì)距離就能在一系列特定的距離（為聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍）上建立駐波共振態(tài)，從示波器上可以觀察到信號(hào)振幅周期性地呈現(xiàn)最大值，相鄰最大值之間的距離為 （3.12-3）則 （3.12-4）實(shí)際測(cè)量中為了提高測(cè)量精度，可以連續(xù)多次測(cè)量并用逐差法處理數(shù)據(jù)。(2)相位比較法測(cè)聲速游標(biāo)卡尺信號(hào)源信號(hào)放大器S1S2示波器圖3.12-2 相位比較法測(cè)聲速聲波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，在聲波傳播方向上任何一點(diǎn)和波源之間都存在位相差

7、。若設(shè)位相差為，聲波頻率為，波速v和傳播距離l之間的關(guān)系為 （3.12-5）如圖3.12-2所示，將S1和S2的正弦電壓信號(hào)分別輸入示波器的X信道和Y信道 ，在示波器上可以觀察到兩個(gè)相互垂直的同頻率簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成的李薩如圖形。改變S1、S2之間的距離時(shí)位相差發(fā)生變化，橢圓的特性也隨之變化。每當(dāng)位相差的變化滿足，即 （3.12-6）時(shí)，相同的李薩如圖形就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)（如圖3.12-3所示）。由此可以測(cè)定，算出聲速 （3.12-7）圖3.12-3 李薩如圖(3)時(shí)差法測(cè)量原理以上二種方法測(cè)聲速，都是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察二個(gè)波間的相位差，原理是正確，但存在讀數(shù)誤差，較精確測(cè)量聲速是用時(shí)聲波差法

8、，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T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。 （3.12-8）3理想氣體中的聲速聲波在理想氣體中的傳播可以認(rèn)為是絕熱的，聲速可表示為 （3.12-9）式中是氣體的比熱；R=8.314J/（mol·K）是摩爾氣體常數(shù)；是氣體的摩爾質(zhì)量；t是氣體的攝氏溫度，。 若把干燥空氣看作是理想氣體，在0時(shí).若再考慮大氣壓和空氣中水蒸汽的影響，則聲速為 (3.12-10)式中p為大氣壓；pw是水蒸汽的分壓強(qiáng)，它等于溫度為t時(shí)空氣中水蒸汽的飽和蒸汽壓ps(參見本實(shí)驗(yàn)后附

9、錄)乘以當(dāng)時(shí)的相對(duì)濕度H，H可從干濕溫度計(jì)上讀出。三、儀器設(shè)備【實(shí)驗(yàn)儀器】型聲速測(cè)定儀及型聲速測(cè)定專用信號(hào)源(它們構(gòu)成的組合儀可用于測(cè)量空氣和液體介質(zhì)的聲速，其外形結(jié)構(gòu)見下圖3.12-5，雙蹤示波器，干濕溫度計(jì)，水銀氣壓計(jì)等。圖3.12-5型聲速測(cè)定儀及型聲速測(cè)定專用信號(hào)源型聲速測(cè)定儀主要由儲(chǔ)液槽、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、數(shù)顯標(biāo)尺、壓電換能器等組成。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，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移，并由數(shù)顯表頭顯示位移的距離。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。 四、

10、實(shí)驗(yàn)程序一、調(diào)整系統(tǒng)達(dá)到最佳發(fā)射和接受狀態(tài)。當(dāng)激勵(lì)正弦電信號(hào)與換能器固有頻率基本一致時(shí)能較為有效地實(shí)現(xiàn)電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換。調(diào)節(jié)方法如下：圖3.12-6 共振法、相位法測(cè)量聲速線路連接 1參考圖3.12-6連接線路， 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，使其輸出電壓在左右，然后將換能器的接收信號(hào)接至示波器，選擇適當(dāng)?shù)氖静ㄆ髌D(zhuǎn)因數(shù)，調(diào)整信號(hào)頻率，頻率由專用信號(hào)源頻率顯示窗口直接讀出，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（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

11、 。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，測(cè)量中保持該頻率不變。二、用共振干涉法測(cè)量空氣中的聲速按圖3.12-6接線，在專用信號(hào)源上將測(cè)試方法設(shè)置到“連續(xù)波”方式，將專用信號(hào)源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“空氣”位置。轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪移動(dòng)S2觀察信號(hào)幅值隨距離周期變化的現(xiàn)象。選擇某個(gè)振幅最大值作為測(cè)量起點(diǎn)，由數(shù)顯尺上直接讀出或在機(jī)械刻度上讀出并記錄下此時(shí)的位置，然后向著同方向再緩慢移動(dòng)S2，逐一記下各振幅極大的位置，記錄12組數(shù)據(jù)。用逐差法處理數(shù)據(jù)。由（3.12-3）式有 所以 （3.12-11）三、用相位比較法測(cè)量水

12、中的聲速按圖3.12-6方式接線，小心將金屬測(cè)試架從儲(chǔ)液槽中取出，然后向儲(chǔ)液槽注入液體，直至“液面線”處，但不要超過液面線。在專用信號(hào)源上將“測(cè)試方法”設(shè)置到“連續(xù)波”方式，將專用信號(hào)源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“液體”位置。按前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一的方法，確定最佳工作頻率。發(fā)射波接到雙蹤示波器的“”，接收波接到 “”，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，移動(dòng)S2并觀察示波器上李薩如圖形的變化。選擇圖形為某一方向的斜線時(shí)的位置作為測(cè)量的起點(diǎn)，向同一個(gè)方向移動(dòng)S2，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，。共記錄12組數(shù)據(jù)。單次波長(zhǎng) 。多次測(cè)定用逐差法處理數(shù)據(jù)

13、，即可得到波長(zhǎng)。同樣用逐差法處理數(shù)據(jù)求出水中的聲速 （3.12-12）圖3.12-7 時(shí)差法測(cè)量聲速線路連接四、時(shí)差法測(cè)量聲速（選做）a）按圖3.12-7連接線路，測(cè)量空氣聲速時(shí),將專用信號(hào)源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“空氣”位置，測(cè)量液體聲速時(shí),置于“液體”位置。將測(cè)試方法設(shè)置到“脈沖波”方式。 b）將和之間的距離調(diào)到一定距離（）。開啟數(shù)顯表頭電源，并置，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、。(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)，記錄下這時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值、共測(cè)12組數(shù)據(jù)。 （3.1

14、2-13）需要說明的是，由于聲波的衰減，移動(dòng)換能器使測(cè)量距離變大（這時(shí)時(shí)間也變大）時(shí)，如果測(cè)量時(shí)間值出現(xiàn)跳變，則應(yīng)順時(shí)針方向微調(diào)“接收放大”旋鈕，以補(bǔ)償信號(hào)的衰減；反之測(cè)量距離變小時(shí)，如果測(cè)量時(shí)間值出現(xiàn)跳變，則應(yīng)逆時(shí)針方向微調(diào)“接收放大”旋鈕，以使計(jì)時(shí)器能正確計(jì)時(shí)。 五、記錄傳播介質(zhì)溫度。五、數(shù)據(jù)處理1、用逐差法處理數(shù)據(jù)，按（3.12-11）式計(jì)算聲速。記錄測(cè)量時(shí)的室溫，由（3.12-9）式或（3.12-10）式計(jì)算該溫度時(shí)空氣中的聲速，與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的空氣中的聲速比較，計(jì)算及。2、用逐差法處理數(shù)據(jù)，按（3.12-12）式計(jì)算水中的聲速，估算其不確定度并給出完整的結(jié)果表述。六、拓展問題1如果兩個(gè)

15、換能器不平行對(duì)實(shí)驗(yàn)有什么影響？2實(shí)驗(yàn)中應(yīng)如何確定換能器的共振頻率？3試用本實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備測(cè)量空氣的比熱和摩爾質(zhì)量，寫出實(shí)驗(yàn)原理、步驟和數(shù)據(jù)處理的方法。4對(duì)固體媒質(zhì)，用改變S2的位置來改變傳播距離求出波長(zhǎng)再計(jì)算聲速的方法往往不可行。試在傳播距離不能改變的條件下，設(shè)計(jì)一種利用本實(shí)驗(yàn)提供的設(shè)備測(cè)量聲速的方法。 5工程中常需要在無損的條件下精確測(cè)量某些部件的厚度。若已知部件的材料，在上一問題的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種超聲測(cè)厚的方法。 參考資料1程守洙, 江之永. 普通物理學(xué) 3 高等教育出版社 19982熊永紅 主編 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)華中科技大學(xué)出版社 20043同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究室. 超聲工業(yè)測(cè)量技術(shù)上海人民出版社

16、 19774胡建愷, 張謙林. 超聲檢測(cè)原理和方法 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 19935馬大猷等. 聲學(xué)手冊(cè) 科學(xué)出版社 19836許肖梅 聲學(xué)基礎(chǔ) 科學(xué)出版社 2003附 錄冰(0以下)、水的飽和蒸汽ps(單位：Pa)與溫度的關(guān)系溫度0.11.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0260.8238.6218.1199.3182.0166.1151.4138.0125.6114.30.0610.7562.6517.8476.4438.0402.4369.4338.9310.8284.80.0610.7656.6705.5757.7813.1872.2934.91001.710

17、72.61117.810.01227.81312.41402.31497.31598.11704.91817.91937.32063.62196.920.02337.82486.62643.52809.12983.63167.63361.33565.33780.04005.430.04243.34493.04755.35030.95320.15623.75942.26276.26626.36993.240.07377.47779.98201.18641.89102.99584.810088.610615.011164.911739.050.012338.312963.713616.114296

18、.415005.615744.016514.617315.918150.519019.860.019923.720865.021842.222859.523915.425013.926153.827337.828567.029842.970.031165.432538.733962.535438.436969.038552.840195.141895.243656.445478.980.047364.149314.651331.153419.655578.157807.260112.462492.264952.067490.490.070111.672818.075609.878490.981462.684527.787687.590944.594301.697761.3100.010132.510497.3 數(shù)顯表頭的使用方法及維護(hù)聲速測(cè)定儀數(shù)顯表頭使用方法：1按鈕為英制/公制轉(zhuǎn)換用，測(cè)量聲速時(shí)用“”2“”“”按鈕為數(shù)顯表頭電源開關(guān)3“”按鈕