一級(jí)實(shí)驗(yàn)講義聲速的測量

1、聲速的測量在彈性介質(zhì)中，頻率從 20Hz 到 20kHz 的振動(dòng)所激起的機(jī)械波稱為聲波，高于 20kHz，稱為超聲波，超聲波的頻率范圍在 210 4Hz-510 8Hz 之間。超聲波的速度，就是聲波的速度。超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，在超聲波段進(jìn)行聲速測量比較方便。超聲波在媒質(zhì)中的速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)等有關(guān)。因而通過媒質(zhì)中聲速的測定，可以了解媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化。例如，測量氯氣、蔗糖等氣體或溶液的濃度、氯丁橡膠乳液的以及輸油管中不同油品的分界面等等，這些問題都可以通過測定這些物質(zhì)中的聲速來解決。可見，聲速測定在工業(yè)生產(chǎn)上具有一定的實(shí)用意義。本實(shí)驗(yàn)用壓電陶瓷超聲換能器來測定超聲波在空

2、氣中的速度，它是非電量電測方法的一個(gè)例子。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射和接收方法；2用法和相位法測量介質(zhì)中的聲速；3復(fù)習(xí)用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，復(fù)習(xí)示波器的使用，熟悉振動(dòng)。二、實(shí)驗(yàn)原理頻率介于 20Hz20kHz 的機(jī)械波振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的就形成聲波，介于 20kHz500MHz 的稱為超聲波，超聲波的速度就是聲波的速度，而超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射和會(huì)聚等優(yōu)點(diǎn)，聲速實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻率一般都在 20KHz60kHz 之間。在此頻率范圍內(nèi)，采用壓電陶瓷換能器作為聲波的、效果最佳。根據(jù)聲波各參量之間的關(guān)系可知 f ,其中 為波速, 為波長, f 為頻率。圖 1法測量聲速實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)中

3、,可以通過測定聲波的波長 和頻率 f 求聲速。聲波的頻率 f 可以直接從低頻信號(hào)發(fā)生器(信號(hào)源)上讀出,而聲波的波長 則常用相位比較法(行波法)和法(駐波法)來測量。圖 2 相位比較法測量聲速實(shí)驗(yàn)裝置1.(駐波)法測聲速由聲源 S1 發(fā)出的聲波（頻率為 f ），經(jīng)介質(zhì)（空氣）到 S2，S2 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（S2）與發(fā)射面（S1）嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與反射形成駐波。反射面處是位移的波節(jié)，聲壓的波腹。改變與發(fā)射源之間的距離L，在一系列特定的距離上，空氣中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波現(xiàn)象。此時(shí) L 等于半波長的整數(shù)倍，駐波的幅度達(dá)到極大；同時(shí)，在接收面上的

4、聲壓波腹也相應(yīng)地達(dá)到極大值。通過壓電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電信號(hào)的電壓值也最大（示波器顯示波形的幅值最大）。因此，若保持頻率不變，通過測量相鄰兩次接收信號(hào)達(dá)到極大值時(shí)接收面之間的距離 L，即到該波的波長 （ =2 x），并用 f 計(jì)算出聲速。2.相位比較法實(shí)驗(yàn)裝置接線如圖 2 所示，置示波器功能于 XY 方式。當(dāng) S1 發(fā)出的平面超聲波通過媒質(zhì)到達(dá)S2，振動(dòng)方程為：x 2y 22xycos( 1) sin ( 1)222A2A2A A121 2在發(fā)射波和接收波之間產(chǎn)生相位差：x 221見圖 3，隨著振動(dòng)的相位差從 0 的變化，圖形從斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再變到斜率為負(fù)的直線。因此，每移動(dòng)半個(gè)波長，就會(huì)

5、重復(fù)出現(xiàn)斜率符號(hào)相反的直線，測得了波長 和頻率 f ，根據(jù)式 f 即可計(jì)算出聲音的速度。改變 S1 和 S2 之間的距離 L，相當(dāng)于改變了發(fā)射波和接收波之間的相位差，熒光屏上的圖形也隨 L 不斷變化。顯然，當(dāng) S1、S2 之間距離改變半個(gè)波長L / 2 ，則 。(a) 0(b) (c) (d) 3(e) 424圖 3振動(dòng)三、實(shí)驗(yàn)儀器SVX-5 型聲速測試儀信號(hào)源、SV-DH 系列聲速測試儀、雙蹤示波器等。壓電陶瓷換能器是由壓電陶瓷片和輕重兩種金屬組成。壓電陶瓷片是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷等），在一定溫度下經(jīng)極化處理制成的。它具有壓電效應(yīng)，即受到與極化方向一致的應(yīng)力T 時(shí)，

6、在極化方向上產(chǎn)生一定的電場強(qiáng)度 E 且具有線性關(guān)系：E g T ,即力電，稱為正壓電效應(yīng)；當(dāng)與極化方向一致的外加電壓U 加在壓電材料上時(shí)，材料的伸縮形變 S 與U 之間有簡單的線性關(guān)系：S d U即電力，稱為逆壓電效應(yīng)。其中 g 為比例系數(shù)， d 為壓電常數(shù)，與材料的性質(zhì)有關(guān)。由于 E 與T ， S 與U 之間有簡單的線性關(guān)系，因此就可以將正弦交流電信號(hào)變成壓電材料縱向的長度伸縮，使壓電陶瓷片成為超聲波的波源 即壓電換能器可以把電能轉(zhuǎn)換為聲能作為超聲波發(fā)生器 反過來也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)化為電壓變化 即轉(zhuǎn)換圖 4正負(fù)電極片后蓋反射板 壓電陶瓷片輻射頭圖 4 縱向換能器的結(jié)構(gòu)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.調(diào)整儀器時(shí)系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)1）調(diào)節(jié) S1、S2 使兩端面平行。2）調(diào)節(jié)諧振頻率。只有當(dāng)換能器 S1 和 S2 發(fā)射面與接收面保持平行時(shí)才有較好的接收效果；為了得到較清晰的接收波形，應(yīng)將外加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率調(diào)節(jié)到發(fā)射換能器 S1 諧振頻率點(diǎn)處，才能較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，提高測量精度，以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。2.駐波法（法）測波長和聲速1) 移動(dòng) S2，觀察波的現(xiàn)象。2）12 個(gè)相鄰的波腹的位置。3）用逐差法處理數(shù)據(jù)，計(jì)算波長和聲速，并計(jì)算不確定度。3.相位比較法測量波長和聲速1) 移動(dòng) S2，觀察圖形；2) 將 S2 從 S1 附件慢慢移開，依次測出圖形為直線時(shí) S2 的位