示波器測超聲波聲速

1、示波器測超聲波聲速【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解換能器的原理及工作方式。2了解聲波的特點(diǎn)，加深對波動(dòng)理論的理解。3掌握用駐波法共振干預(yù)法和相位比擬法測量空氣中的聲速。4掌握用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并計(jì)算相對誤差。5進(jìn)一步掌握示波器、信號發(fā)生器的使用，以及游標(biāo)卡尺的正確讀數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】R、信號發(fā)生器、示波器、超聲波聲速測定裝置包括一對壓電陶瓷換能器和游標(biāo)卡尺 溫度計(jì)和同軸電纜等。1. 超聲聲速測定裝置該裝置由換能器和游標(biāo)卡尺及支架構(gòu)成。換能器由壓電陶瓷片和輕質(zhì)、重質(zhì)兩種金屬組成，壓電陶瓷片是由具有多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料做成的如石英片、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛陶瓷等，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后而具有壓電效應(yīng)。電.撤射蝕換能

2、器圖 壓電效應(yīng)：有些材料受到沿極化方向的應(yīng)力時(shí)，能使材 料在該方向上產(chǎn)生與應(yīng)力成正比的電場現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)； 當(dāng)沿極化方向外加電壓加在這些材料上時(shí)，也可使材料發(fā)生 機(jī)械振動(dòng)，其振幅與電壓信號成正比，此現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。換能器結(jié)構(gòu)：在兩片壓電陶瓷圓環(huán)片的前后兩端膠粘兩 塊金屬，組成夾心型 中心圓環(huán)片板子為電極抽頭。頭部用輕質(zhì)金屬做成喇叭形， 尾部用重質(zhì)金屬做成錐形或柱形，中部為壓電陶瓷圓環(huán)片 稱壓電陶瓷振子，緊固螺釘也作為另一電極抽頭穿過環(huán)中心。由于振子是以縱向長度的伸縮直接影響前 部輕質(zhì)金屬做同樣的縱向長度伸縮對尾部重質(zhì)金屬作用小，這種結(jié)構(gòu)使發(fā)射的聲波方向性強(qiáng)，

3、平面性好?？梢赃x用厚度較薄的壓電陶瓷片制成諧振頻率在3060 kHz范圍內(nèi)的超聲波發(fā)射器和接收器。換能器示意圖如圖所示。換能器特點(diǎn)：換能器有一固有諧振頻率fo，當(dāng)外加聲波信號的頻率等于此頻率時(shí)，陶瓷片將發(fā)生機(jī)械諧振，得到最強(qiáng)的電壓信號，此時(shí)換能器發(fā)射共振輸出聲波信號最強(qiáng)。因此測 量時(shí)輸入交變電壓信號頻率與換能器的固有諧振頻率fo 一致。2. 示波器及信號發(fā)生器參見實(shí)驗(yàn)“示波器的調(diào)整和使用【實(shí)驗(yàn)原理】聲波的傳播是通過媒質(zhì)各點(diǎn)間的彈性力來實(shí)現(xiàn)的，因此波速取決于媒體的狀態(tài)和性質(zhì)密 度和彈性模量。液體與固體的密度和彈性模量的比值一般比氣體大，因而其中的聲速也較大。理想氣體中的聲速：聲波在理想氣體中的傳

4、播可認(rèn)為是絕熱過程，由熱力學(xué)理論可以導(dǎo)岀其速度為式中R 摩爾氣體常數(shù)R= 8.314J/mol K;比熱容之比理想氣體比定壓熱容與比定容熱容之比一一氣體的摩爾質(zhì)量量；Tk氣體的開氏溫度?？紤]到開氏溫度與攝氏溫度的換算關(guān)系Tk = To + t有：一R(To t)RT01 To在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，t = 0 C時(shí),v0= 331.45 m/s，因此(421 )式中，To = 273.14 K。只要測量岀溫度 t,就能夠算岀理想氣體中的聲速值。根據(jù)波動(dòng)學(xué)理論，在波動(dòng)傳播過程中，波速V、波長和頻率f之間存在以下關(guān)系:v= f 通過實(shí)驗(yàn)，假設(shè)能同時(shí)測岀媒體中聲波傳播的波長 常用方法有駐波法和相位比擬法兩種

5、。和頻率f,就可求出聲速 Vo1.駐波法測聲速實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。圖中兩個(gè)超聲換能器間的距離為L，其中左邊一個(gè)作為超聲波源發(fā)射頭S1，信號源輸岀的正弦電壓信號接到S1 上,使S1發(fā)岀超聲波。那么沿S1平行于游標(biāo)卡尺方向的波動(dòng)方程丫1為：)丫1 = Acos( t 2二X/ )其中，S1發(fā)岀超聲波處 X = 0, X為傳播方向上某點(diǎn)的坐標(biāo)值。駐波法測聲速圖 右邊一個(gè)作為超聲波的接收器接收頭S2,把接收到的聲壓轉(zhuǎn)變成電壓信號并輸入示波器中觀察。S2在接收超聲波的同時(shí)，還向Si反射一局部超聲波丫2,考慮到半波損失而參加相位因子n,在理想情況下，聲波反射形成同頻率的反射波，其波動(dòng)方程為：丫2 = Aco

6、sC t+ 2二X + 二這樣由S1發(fā)岀的超聲波和由 S2反射的超聲波在 S1和S2之間L的區(qū)域相干預(yù)而形成駐波, 其合成的結(jié)果為丫5= 丫2 =Acost 一2 tX / ' Acosjt 2tX / n=2Asin 2 n / 'sint上式說明，其間各點(diǎn)都在作同頻率的振動(dòng)，而各點(diǎn)振幅是位置X的正弦函數(shù)。振幅最大的點(diǎn)稱為波腹，這些點(diǎn)上聲壓最小，示波器觀察到的正弦信號最??；振幅最小的點(diǎn)稱為波節(jié)，這些點(diǎn) 上聲壓最大，示波器觀察到的正弦信號最大。相鄰兩波腹或波節(jié)之間的距離為半波長。改變X = L時(shí)，在一系列特定的位置上，S2接收面接收到的聲壓到達(dá)極大值或極小值；相鄰兩極大值或極小

7、值之間的距離皆為半波長，此時(shí)在示波器屏上所顯示的波形幅值發(fā)生周 期性的變化，即由一個(gè)極大值變到極小，再變到極大，而幅值每一次周期性的變化，就相當(dāng)于L改變了半個(gè)波長。假設(shè)從第n個(gè)極大值或極小值狀態(tài)變化到第n+ 1個(gè)極大值或極小值狀態(tài)時(shí)，S2移動(dòng)的距離為丄，那么：.L =n 亠1n2 2 2即 = 2 L(426)423所示。由于聲波是在空氣中傳播，隨著L的增大振幅大小的總趨勢將是衰減的，如圖超聲波振幅隨L的衰減圖 2.相位比擬法測聲速實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示忽略超聲換能器本身的轉(zhuǎn)換時(shí)間X= 0 處。從發(fā)射頭Si發(fā)岀的超聲波為Y= Acos(，t 2X/，) = Acos(，t)LIU mm mmOm相位

8、比擬法測聲速圖 通過媒質(zhì)傳到接收頭S2，其接收到的超聲波為X= L處X= Acos，t 2二L 接收頭和發(fā)射頭之間便產(chǎn)生了位相差此位相差的大小與角頻率* = 2：f、傳播時(shí)間t、聲速V、波長'以及Si和S2之間的距離L有以下關(guān)系：(427 )二 t=2n丄=2上V由此可推岀，L每改變一個(gè)波長，位相差就變化2二。反過來通過觀察位相差的變化匚丨 測量岀對應(yīng)的L變化量即可算岀'o具體作法是將發(fā)射頭 Si和接收頭S2的正弦電壓信號 丫與X分別輸入到示波器的 CHi和CH2護(hù)三賈廠卩產(chǎn)G眉4tt/23tt/4酊3 tit/27/42 ir尊盯李薩如圖形圖 通常為了便于判斷，選擇李薩如圖形中直線斜率為正(或負(fù))作為測量的起點(diǎn)，移動(dòng)接收 頭S2,當(dāng)L變化一個(gè)波長時(shí)，使同樣斜率的直線再次岀現(xiàn)?！究记绊氈?1) 切勿使信號源輸岀端短路。(2) 禁止無目的地亂擰儀器旋鈕。(3) 實(shí)驗(yàn)時(shí)要求信號源的輸出頻率與換能器的諧振頻率一致。(4) 正確使用游標(biāo)卡尺的微調(diào)?！緦?shí)驗(yàn)思考與觀察】(1 )示波器處于雙蹤擋位時(shí)，觀察波形圖，如果波形移動(dòng)，試解釋其原因并調(diào)整示波器使 波形不移動(dòng)。(2) 示波器處于相加擋位時(shí)，調(diào)節(jié)測試換能器的諧振頻率foo此種方法對嗎？請分析原因。(3) 示波器處于雙蹤擋位時(shí)，按下示波器X-Y按鈕，屏幕上會(huì)岀現(xiàn)一李薩如圖形和一直線， 請分析直線岀現(xiàn)的原因。(