聲速測定儀的改進及聲速測量方法的研究精

1、聲速測定儀的改進及聲速測量方法的研究摘要:改進聲速測定儀，聲速測量方法的研究與思考關鍵詞:聲速測量；測量方法分析；縱所周知，振動頻率在（20-20000Hz的聲波可以被人耳聽到，被稱為可聞波，頻率在20kHz以_h的聲波稱為超聲波。聲波的波長、強度、傳播速度、頻率、聲壓衰減、相位等是聲波的重要特性。對聲波特性的測量是聲學在應用技術的一個重要內容，特別是聲波波速（簡稱聲速的測量，在聲波定位、探傷、測距等應用中具有重要意義。共振干涉法、相位比較法、時差法這三種方法的偶然誤差主要來源是讀數(shù)誤差.在實驗過程中，雖然測試的距離值由數(shù)顯標尺來讀數(shù)，而且數(shù)顯標尺可自動讀數(shù).但是位置的確定要從示波器的波形位置

2、來確定.而示波器的波形位置直接決定了數(shù)顯標尺飆的值.波形最大或最穩(wěn)定則是人為認定的.從這個角度來看，它們的偶然誤差也是一樣的.以上四個方面比較表明，共振干涉法和相位比較法無論是原理、儀器、操作,還是誤差分析，有更多的共同之處.而時差法則和前兩個方法的不同則更多一些共振干涉法和相位比較法一直是實驗室研究中經(jīng)常用到的，而時差法則比較經(jīng)常出現(xiàn)在工業(yè)測量上.【1】聲速的測量方法有多種，實驗室常用方法是利用聲速與聲波頻率，及波長的關系進行測量.諧振頻率，由頻率計直接讀出，關鍵是測出聲波的波長.由于超聲波波長短、容易測量、不可聞等優(yōu)點，多數(shù)實驗室選用超聲聲速測定儀，調節(jié)兩換能器互相平行進行測量.但在該實驗

3、教學實踐中發(fā)現(xiàn)，聲速測定儀兩換能器互成某一角度時接收換能器也能夠接收到交變信號，是否能夠利用這一交變信號測量聲速呢？1 .聲速測定儀的改進為了實現(xiàn)兩換能器的法向夾角能圖1sw”望再速激定儀圖3改進后的胃速測定儀圖4非直液體中聲速裝置成任意角度，從而使接收換能器能在發(fā)射換能器的不同方位上測量聲波，必須在速測定儀的基礎上進行簡單的改進.聲速測定議的結構如圖l所示,一換能器固定在邊沿上，另一換能器固定在可移動底座上，但換能器的方向不能自由轉動.據(jù)此，用鋁合金制成如圖2所示的延長臂A和換能器套圈B.將原聲速測定儀的套圈固定螺絲卸下，裝上延長臂，并用套圈固定螺絲套緊；延長臂A的另一端用螺絲跟B套緊后，在

4、套圈B裝J二壓電陶瓷換能器，并旋緊邊沿上的三根螺絲.改進后的聲速測定儀如圖3所示.接收換能器與發(fā)射換能器的端面可以調節(jié)平行或者成任意角度.改裝后的聲速測定儀還可以測量聲波在液體中的速度，在聲測定儀的前側放置一液體槽，延伸臂可以很方便地伸入液體內，測量超聲波在液體中的傳播速度如圖4所示.聲速測定儀的改進，擴大了儀器的使用范圍.【2】根據(jù)諧振、共振和波的反射、迭加性質，測量波的傳播速度的方法，是一種重要的思想方法，但在測量超聲波波速的方法和裝置中，存在三個影響測量結果的問題：一是振動源的穩(wěn)定性，二是觀察振動情況的示波器靈敏度，三是發(fā)射器和接收器的固有頻率不相等。2 .信號發(fā)生器的輸出頻率對測量結果

5、的影響用于產生超聲波信號的信號發(fā)生器，輸出正弦波信號，送至發(fā)射器，將電信號轉換為機械振動發(fā)射出超聲波，如圖1所示。當信號發(fā)生器輸出的正弦波頻率等于發(fā)生器的固有頻率，則產生諧振，發(fā)生器的振動最強，產生的超聲波能量最大。但當信號發(fā)生器輸出的正弦波頻率不穩(wěn)定，出現(xiàn)漂移時，必然使發(fā)射器的振動頻率和強度也發(fā)生變化，從而使產生的波能量強度也隨之減少。因為諧振時，振動最強，信號發(fā)生器輸出信號頻率漂移時，使發(fā)射器工作在非諧振狀態(tài)，所以產生的超聲波強度就變小，同時因頻率變化而導致波長發(fā)生變化，共振干涉點的位置，也發(fā)生變化，接收器就難以找到確切的共振干涉點，測量結果就有更大的誤差。一般的信號發(fā)生器輸出頻率的相對誤

6、差為1%【3】，發(fā)射器的固有頻率在40K左右，所以絕對誤差為400赫茲左右，可見，產生的影響是較大的。用共振干涉法或相位比較法測量超聲波的速度，均與頻率或波長有關，所以要提高測量結果的精確度，須用性能較好的輸出頻率穩(wěn)定的信號發(fā)生器。3 .示波器的靈敏度對測量結果的影響圖1超聲波破速測量裝置示意國接收器接收到的超聲波，轉換為電信號后,送往示波器加在y偏轉板上，從而顯示超聲波的波形和幅度，如圖1所示。當接收器接收到超聲波強度的大小發(fā)生微小變化時，示波器能否反映出來，就取決于示波器y偏轉的靈敏度和幅度線性。示波器的靈敏度越高，幅度線性越好，就越能反映超聲波強度大小的微小變化，測量結果也就越精確。但由

7、于波形幅度受示波器顯示屏大小及幾何尺寸的制約，不能超過屏幕的最大尺寸，否則就無法觀察和比較波形和幅度，所以Y偏轉增益不能過大。一般示波器的最高靈敏度為Imvldiv，誤差為10%0解決的辦法是將幅度調到剛好在熒光屏的最大值范圍內，可使誤差減少到儀器所能達到的最小程度。4.發(fā)生器和接收器的固有頻率不一致對測量結果的影響發(fā)射器探頭與接收器的探頭由于都有各自的固有頻率，并且很難做到相等，一般相差幾十至幾百赫茲。對利用共振干涉法測量波長影響較大，因為共振干涉法比較的是能量的大小，找的是能量最大值的位置，即共振點，不同的固有頻率使得出現(xiàn)能量最大值的位置增多，范圍變寬，能量幅度最大值不再是一個位置，而是一個區(qū)間，從而使測量誤差增大。對利用相位比較法測量的結果影響不大，因為相位比較法,比較的是發(fā)射波與人射波的相位差，而不是能量的幅值，只要找到相位相等的相鄰點的位置，即可測量出波長的大小。【4】可見相位比較法只與頻率有關，與能量無關，而共振干涉法與頻率和能量均有關，測量結果沒有相位比較法的準確。因此,當發(fā)射器與接收器的固有頻率相差較大時，宜采用相位比較法，不宜用共振干涉法。參考文獻【1】黃賢群.SW-1型聲速測定儀的改進及聲速測量方法的研究.韓山師范學院學報，2008,29(06:49-52【2】毛杰健,楊建榮.超聲波波速測量裝置中存在的三個問題.上饒師