聲速測(cè)定試驗(yàn)精PPT學(xué)習(xí)教案

1、聲速測(cè)定試驗(yàn)精聲速測(cè)定試驗(yàn)精【實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?（1）學(xué)習(xí)測(cè)量空氣中聲速的兩種方法：共振干涉法和相位比較法。 （2）加深對(duì)駐波和振動(dòng)合成理論的理解。 （3）進(jìn)一步熟悉示波器的使用。【實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器】 DH-DPL聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀 示波器第1頁(yè)/共24頁(yè)【實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理】 聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波。聲速是描述波在媒質(zhì)聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波。聲速是描述波在媒質(zhì)中傳播特性的基本物理量，它與媒質(zhì)的性質(zhì)及狀態(tài)有關(guān)。測(cè)定中傳播特性的基本物理量，它與媒質(zhì)的性質(zhì)及狀態(tài)有關(guān)。測(cè)定聲速可以了解被測(cè)媒質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)及其變化；根據(jù)頻率范圍聲速可以了解被測(cè)媒質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)及其變化；根據(jù)頻率范圍的不同，

2、可以把聲波分為可聞聲波、超聲波和次聲波。的不同，可以把聲波分為可聞聲波、超聲波和次聲波。 由于超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，因此在超由于超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，因此在超聲波段測(cè)聲速是比較方便的。通常利用壓電陶瓷換能器來(lái)進(jìn)聲波段測(cè)聲速是比較方便的。通常利用壓電陶瓷換能器來(lái)進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收。行超聲波的發(fā)射和接收。 第2頁(yè)/共24頁(yè)1、超聲波壓電陶瓷換能器原理超聲波壓電陶瓷換能器原理 超聲波換能器的核心結(jié)構(gòu)是壓電片。壓電片是由一種多晶超聲波換能器的核心結(jié)構(gòu)是壓電片。壓電片是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷等）做成的。它在應(yīng)結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷

3、等）做成的。它在應(yīng)力作用下兩極產(chǎn)生異號(hào)電荷，兩極間產(chǎn)生電位差（稱(chēng)正壓電效力作用下兩極產(chǎn)生異號(hào)電荷，兩極間產(chǎn)生電位差（稱(chēng)正壓電效應(yīng)）；而當(dāng)壓電材料兩端間加上外加電壓時(shí)又能產(chǎn)生應(yīng)變（稱(chēng)應(yīng)）；而當(dāng)壓電材料兩端間加上外加電壓時(shí)又能產(chǎn)生應(yīng)變（稱(chēng)逆壓電效應(yīng)）。利用上述可逆效應(yīng)可將壓電材料制成壓電換能逆壓電效應(yīng)）。利用上述可逆效應(yīng)可將壓電材料制成壓電換能器，以實(shí)現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。器，以實(shí)現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。 第3頁(yè)/共24頁(yè) 壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，可分為縱向（振動(dòng)）壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，可分為縱向（振動(dòng)）換能器、徑向換能器、徑向(振動(dòng)振動(dòng))換能器及彎曲振動(dòng)換能器等。圖中為縱向換

4、能器及彎曲振動(dòng)換能器等。圖中為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 第4頁(yè)/共24頁(yè)2、駐波法原理駐波法原理 由聲源發(fā)出的聲波經(jīng)前方平面反射后，入射波和反射波疊由聲源發(fā)出的聲波經(jīng)前方平面反射后，入射波和反射波疊加，當(dāng)兩平面平行時(shí)，在它們之間形成加，當(dāng)兩平面平行時(shí)，在它們之間形成駐波駐波。 （1）繩中的駐波繩中的駐波； （2）空氣內(nèi)的駐波空氣內(nèi)的駐波 設(shè)兩列波頻率、振動(dòng)方向和振幅相同，在設(shè)兩列波頻率、振動(dòng)方向和振幅相同，在x軸上傳播方向軸上傳播方向相反，其波動(dòng)方程為相反，其波動(dòng)方程為 xtAyxtAy2cos2cos21反射波發(fā)射波疊加后合成波方程為疊加后合成波方程為 tAxAxtAxtAy

5、yycos2cos22cos2cos21第5頁(yè)/共24頁(yè)xA2cos212cosx02cosx2nx4) 12(nx兩波合成后介質(zhì)各點(diǎn)都在作同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，各點(diǎn)的振幅兩波合成后介質(zhì)各點(diǎn)都在作同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，各點(diǎn)的振幅的各點(diǎn)振幅最大的各點(diǎn)振幅最大的點(diǎn)靜止不動(dòng)，振幅最小的點(diǎn)靜止不動(dòng)，振幅最小處為振幅極大位置處為振幅極大位置處為振幅極小位置處為振幅極小位置第6頁(yè)/共24頁(yè)2/可見(jiàn)相鄰兩振幅極大可見(jiàn)相鄰兩振幅極大(或振幅極小或振幅極小)間的距離為間的距離為 只要測(cè)得相鄰兩振幅極大只要測(cè)得相鄰兩振幅極大(或振幅極小或振幅極小)的位置，的位置，就可就可算出波長(zhǎng)算出波長(zhǎng)、，。第7頁(yè)/共24頁(yè)1x2x2

6、2、相位比較法原理、相位比較法原理 聲源發(fā)聲后，在其周?chē)纬陕晥?chǎng)。聲場(chǎng)介質(zhì)中任一點(diǎn)的聲源發(fā)聲后，在其周?chē)纬陕晥?chǎng)。聲場(chǎng)介質(zhì)中任一點(diǎn)的振動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的，但它與聲源振動(dòng)的相位差振動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的，但它與聲源振動(dòng)的相位差 不隨時(shí)間變化。不隨時(shí)間變化。設(shè)聲源設(shè)聲源S1位位于于處，接收器處，接收器S2位于位于1x112cosxtAy2x222cosxtAy聲源聲源 處的振動(dòng)方程為處的振動(dòng)方程為 位于位于處接收面的振動(dòng)方程為處接收面的振動(dòng)方程為 第8頁(yè)/共24頁(yè))(212xx )(12xx 它們是兩個(gè)同頻率的正弦波，兩處振動(dòng)相位差為它們是兩個(gè)同頻率的正弦波，兩處振動(dòng)相位差為 當(dāng)當(dāng)改變一個(gè)波長(zhǎng)

7、時(shí)，相位差正好改變一個(gè)周期。改變一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，相位差正好改變一個(gè)周期。 將發(fā)射換能器將發(fā)射換能器S1的電信號(hào)和接收換能器的電信號(hào)和接收換能器S2的電信的電信號(hào)分別輸入到示波器的兩個(gè)通道作垂直疊加，合號(hào)分別輸入到示波器的兩個(gè)通道作垂直疊加，合成后在示波器熒光屏上就會(huì)顯示出利薩如圖形。成后在示波器熒光屏上就會(huì)顯示出利薩如圖形。當(dāng)接收換能器當(dāng)接收換能器S2移動(dòng)時(shí)，隨超聲波傳播距離的變移動(dòng)時(shí)，隨超聲波傳播距離的變化，兩波之間的相位差發(fā)生改變，化，兩波之間的相位差發(fā)生改變，CH l和和CH 2接接收到的信號(hào)疊加而產(chǎn)生的李薩如圖隨相位差的改收到的信號(hào)疊加而產(chǎn)生的李薩如圖隨相位差的改變而變化。變而變化。 通過(guò)

8、準(zhǔn)確測(cè)量相位變化一個(gè)周期時(shí)接收換能通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量相位變化一個(gè)周期時(shí)接收換能器移動(dòng)的距離，即可得出對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。器移動(dòng)的距離，即可得出對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。 第9頁(yè)/共24頁(yè)（1）按圖接線。發(fā)射換能器按圖接線。發(fā)射換能器S1接實(shí)驗(yàn)儀接實(shí)驗(yàn)儀“發(fā)射器發(fā)射器換能器換能器”端，實(shí)驗(yàn)儀端，實(shí)驗(yàn)儀“發(fā)射器發(fā)射器波形波形”端接至示波器通道端接至示波器通道1（CH 1）；接接收換能器收換能器S2接實(shí)驗(yàn)儀接實(shí)驗(yàn)儀“接收器接收器換能器換能器”端，實(shí)驗(yàn)儀端，實(shí)驗(yàn)儀“接收接收器器波形波形”端接至示波器通道端接至示波器通道2（CH2）?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1調(diào)整系統(tǒng)的諧振頻率調(diào)整系統(tǒng)的諧振頻率 第10頁(yè)/共24頁(yè) （2）先將）先將

9、S1、S2彼此接近，但不靠攏，在彼此接近，但不靠攏，在實(shí)驗(yàn)室給定的諧振頻率實(shí)驗(yàn)室給定的諧振頻率附近調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀輸出附近調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀輸出信號(hào)頻率使示波器上的信號(hào)為最大。緩慢信號(hào)頻率使示波器上的信號(hào)為最大。緩慢移動(dòng)移動(dòng)S2，可在示波器上看到正弦波振幅的變，可在示波器上看到正弦波振幅的變化，移動(dòng)至首次振幅極大處，固定化，移動(dòng)至首次振幅極大處，固定S2不動(dòng)，不動(dòng)，仔細(xì)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)頻率，再次使示波器上的仔細(xì)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)頻率，再次使示波器上的電壓信號(hào)達(dá)到極大值。此時(shí)信號(hào)輸出頻率等電壓信號(hào)達(dá)到極大值。此時(shí)信號(hào)輸出頻率等于換能器的諧振頻率，在該頻率上，換能器于換能器的諧振頻率，在該頻率上，換能器發(fā)射較強(qiáng)的超聲波。

10、此后，不再調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀發(fā)射較強(qiáng)的超聲波。此后，不再調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀的輸出信號(hào)頻率。的輸出信號(hào)頻率。第11頁(yè)/共24頁(yè)621,lll2共振干涉法測(cè)聲速共振干涉法測(cè)聲速 繼續(xù)緩慢移動(dòng)繼續(xù)緩慢移動(dòng)S2，由近而遠(yuǎn)，逐個(gè)記下示波器上相，由近而遠(yuǎn)，逐個(gè)記下示波器上相繼出現(xiàn)繼出現(xiàn)6個(gè)極大值時(shí)個(gè)極大值時(shí)S2的位置的位置1l4l2l5l3l6liliilll3l位位 置置（mm）平平 均均 值值32lfv 第12頁(yè)/共24頁(yè)3相位比較法測(cè)聲速相位比較法測(cè)聲速 將示波器掃描時(shí)間調(diào)至將示波器掃描時(shí)間調(diào)至“XY”擋，示波器顯示由擋，示波器顯示由CH l和和CH2的信號(hào)合成的利薩如圖形。將的信號(hào)合成的利薩如圖形。將S2移至移至

11、S1附近處，附近處，S2和和S1接近而不靠攏。接近而不靠攏。 第13頁(yè)/共24頁(yè) 再由近而遠(yuǎn)，緩慢移動(dòng)再由近而遠(yuǎn)，緩慢移動(dòng)S2，并同時(shí)觀察示波器上利薩如，并同時(shí)觀察示波器上利薩如圖形的變化，逐個(gè)記下利薩如圖形為直線（斜率為正或斜率圖形的變化，逐個(gè)記下利薩如圖形為直線（斜率為正或斜率為負(fù)）時(shí)，為負(fù)）時(shí)，S2的位置的位置621,lll 1l4l2l5l3l6liliilll3l位位 置置（mm）平平 均均 值值3lfv 第14頁(yè)/共24頁(yè)3理想氣體中的聲速理想氣體中的聲速001Ttvvsmv/45.3310KT0015.273 若考慮到空氣中總含有一些水蒸氣，對(duì)上式修正，若考慮到空氣中總含有一些水

12、蒸氣，對(duì)上式修正，在溫度為在溫度為 t ，相對(duì)濕度為，相對(duì)濕度為 r 的空氣中的聲速為的空氣中的聲速為 溫度為溫度為 t 時(shí)氣體中的聲速時(shí)氣體中的聲速 pprTtvvs3192. 01100sp為室溫時(shí)空氣的飽和蒸氣壓。為室溫時(shí)空氣的飽和蒸氣壓。 aPp510013. 1第15頁(yè)/共24頁(yè)4. 計(jì)算聲速測(cè)量值與理論值比較的相對(duì)誤差計(jì)算聲速測(cè)量值與理論值比較的相對(duì)誤差 %100|vvvE測(cè)第16頁(yè)/共24頁(yè)【注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)】 （1）當(dāng)駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)時(shí)，駐波的形狀不穩(wěn)定，）當(dāng)駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)時(shí)，駐波的形狀不穩(wěn)定，而且聲波波腹的振幅比最大值要小得多。因此，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)而且聲波波腹的振幅比最大

13、值要小得多。因此，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，應(yīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的駐始時(shí)，應(yīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的駐波共振狀態(tài)。波共振狀態(tài)。 （2）聲速測(cè)定儀接收端的移動(dòng)是通過(guò)由絲杠、螺母構(gòu)）聲速測(cè)定儀接收端的移動(dòng)是通過(guò)由絲杠、螺母構(gòu)成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要注意避免空程差，在成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要注意避免空程差，在讀數(shù)過(guò)程中不退讀。讀數(shù)過(guò)程中不退讀。 （3）由于聲波在傳播過(guò)程中有能量損失，因而隨著接）由于聲波在傳播過(guò)程中有能量損失，因而隨著接收端面收端面S 2 逐漸遠(yuǎn)離發(fā)射端面逐漸遠(yuǎn)離發(fā)射端面S1時(shí)，駐波的振幅也是逐漸時(shí)，駐波的振幅也是逐漸衰減的，但并不改變波腹、波節(jié)的位置，因而不影響對(duì)波衰減的，但并不改變波腹、波節(jié)的位置，因而不影響對(duì)波長(zhǎng)的測(cè)量。只是注意每次移動(dòng)接收器時(shí)，一定要移到各個(gè)長(zhǎng)的測(cè)量。只是注意每次移動(dòng)接收器時(shí)，一定要移到各個(gè)幅度為相對(duì)最大處，停止移動(dòng)后再讀數(shù)。幅度為相對(duì)最大處，停止移動(dòng)后再讀數(shù)。 （4）使用示波器時(shí)，亮度不能調(diào)得太大，以免損壞熒使用示波器時(shí)，亮度不能調(diào)得太大，以免損壞熒光屏。光屏。 第17頁(yè)/共24頁(yè)注意游標(biāo)卡尺的正確使用注意游標(biāo)卡尺的正確使用第18頁(yè)/共24頁(yè) 【預(yù)習(xí)思考題