超聲波聲速的測(cè)量課件

1.了解聲波研究的應(yīng)用，理解壓電陶瓷換能器的工作原理；2.學(xué)習(xí)使用示波器進(jìn)行信號(hào)接受和位相比較；3.掌握使用共振干涉法和位相比較法測(cè)量聲波波速；4.熟練使用不確定度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解聲波研究的應(yīng)用，理解壓電陶瓷換能器的工作原理；實(shí)驗(yàn)?zāi)?壓電陶瓷換能器工作原理

實(shí)驗(yàn)所使用的壓電陶瓷換能器，一個(gè)是用來(lái)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)并在空氣中激發(fā)出超聲波；另一個(gè)用來(lái)接收振動(dòng)，同時(shí)在電輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。壓電系統(tǒng)有一諧振頻率，系統(tǒng)工作在諧振頻率時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械諧振，此時(shí)得到的電信號(hào)最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)原理——壓電陶瓷換能器工作原理實(shí)驗(yàn)所使用的壓電2正壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電材料受到與極化方向一致的應(yīng)力T的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個(gè)表面上就帶有符號(hào)相反的電荷，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場(chǎng)強(qiáng)度E，且具有線性關(guān)系：E=σT；當(dāng)力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)不帶電時(shí)的狀態(tài)。壓電式傳感器工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在壓電材料的極化方向施加與極化方向一致的外加電壓U，這些材料會(huì)產(chǎn)生伸縮形變S，且與U有線性關(guān)系：S=dU；若施加交變電場(chǎng)，則介質(zhì)因形變而振動(dòng)。正壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電材料受到與極化方向一致的應(yīng)力T的作用而變形3聲速測(cè)量的方法

超聲波具有波長(zhǎng)短、能定向傳播等特點(diǎn),所以實(shí)驗(yàn)選擇在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量。測(cè)量聲速最簡(jiǎn)單、最有效的方法之一是利用聲速v、振動(dòng)頻率f和波長(zhǎng)λ

之間的基本關(guān)系，即測(cè)量波長(zhǎng)λ有兩種方法：１）．位相比較法２）．共振干涉法

本實(shí)驗(yàn)在換能器諧振狀態(tài)下進(jìn)行聲速的測(cè)量，振動(dòng)頻率f即為所用換能器的諧振頻率實(shí)驗(yàn)原理——聲速測(cè)量的方法超聲波具有波長(zhǎng)短、能定向傳播等特點(diǎn),所41、壓電陶瓷換能器諧振頻率的調(diào)節(jié)

根據(jù)示波器顯示的波形幅度確定換能器（發(fā)射端）激勵(lì)信號(hào)頻率。改變信號(hào)發(fā)生器的頻率時(shí)，看到…參數(shù)測(cè)量：

諧振頻率：室溫：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、壓電陶瓷換能器諧振頻率的調(diào)節(jié)根據(jù)示波器顯示52、聲速測(cè)量——位相比較法波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說(shuō)是位相的傳播。沿傳播方向上的任何兩點(diǎn)，其振動(dòng)狀態(tài)相同,即同相(位相差為0或者說(shuō)其位相差為2π的整數(shù)倍)，兩點(diǎn)間的距離

l

應(yīng)等于波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍，即

(n為正整數(shù))利用這個(gè)公式可測(cè)量波長(zhǎng)。注：聲波是縱波，圖以橫波示例，為清楚說(shuō)明物理量的關(guān)系。2、聲速測(cè)量——位相比較法波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說(shuō)是位6

位相比較法測(cè)聲速裝置示意圖位相比較法接線圖位相比較法測(cè)聲速裝置示意圖位相比較法接線圖7

示波器CH1和CH2分別接換能器發(fā)射端和接收端，示波器的“掃描信號(hào)周期”選擇“X-Y”檔，當(dāng)改變換能器之間的距離時(shí)……位相比較法信號(hào)輸出兩個(gè)同斜率直線所對(duì)應(yīng)的換能器間距為一個(gè)波長(zhǎng)λ

。示波器CH1和CH2分別接換能器發(fā)射端和接收端，示波8位相比較法數(shù)據(jù)處理（1）記錄半波長(zhǎng)數(shù)據(jù)李薩如圖形接收頭位置Ｌ１Ｌ２Ｌ３Ｌ４Ｌ４Ｌ５Ｌ６Ｌ７Ｌ９Ｌ９Ｌ10Ｌ11Ｌ12卡尺讀數(shù)（cm）接收頭位置接收頭位置

(cm)

（cm）

（cm）

（cm）（２）使用逐差法處理波長(zhǎng)數(shù)據(jù)位相比較法數(shù)據(jù)處理（1）記錄半波長(zhǎng)數(shù)據(jù)李薩如圖形接收頭位置Ｌ9（3）使用不確定度概念處理數(shù)據(jù)使用不確定度概念進(jìn)行“直接測(cè)量量”數(shù)據(jù)處理的提示：測(cè)量量N的A類分量：測(cè)量量N的B類分量：取其儀器誤差限，考慮為均勻分布測(cè)量量N的合成不確定度：使用不確定度概念進(jìn)行“間接測(cè)量量”數(shù)據(jù)處理的提示：測(cè)量量Ｖ的計(jì)算：測(cè)量量Ｖ的不確定度傳遞：（4）計(jì)算理論值，并與實(shí)驗(yàn)值相比較（3）使用不確定度概念處理數(shù)據(jù)使用不確定度概念進(jìn)行“直接測(cè)量103、聲速測(cè)量——共振干涉法

共振干涉法也稱駐波法。發(fā)射器發(fā)出的聲波近似于平面波。經(jīng)接收器反射后，波將在兩端面間來(lái)回反射,并且疊加。當(dāng)兩個(gè)換能器之間的距離等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達(dá)到極大。由縱波的性質(zhì)可以證明，振動(dòng)位移處于波節(jié)時(shí)，則聲壓是處于波腹，此時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)最強(qiáng)。返3、聲速測(cè)量——共振干涉法共振干涉法也稱駐波法。發(fā)射11共振干涉法接線圖共振干涉法測(cè)聲速裝置示意圖共振干涉法接線圖共振干涉法測(cè)聲速裝置示意圖12

將壓電陶瓷換能器的接收端接入示波器的CH1／CH2通道，當(dāng)改變換能器之間的距離時(shí)……共振干涉法信號(hào)輸出將壓電陶瓷換能器的接收端接入示波器的CH1／CH2通13共振干涉法數(shù)據(jù)處理參照位相比較法自擬共振干涉法數(shù)據(jù)處理參照位相比較法自擬14

謝謝物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心謝謝物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心151.了解聲波研究的應(yīng)用，理解壓電陶瓷換能器的工作原理；2.學(xué)習(xí)使用示波器進(jìn)行信號(hào)接受和位相比較；3.掌握使用共振干涉法和位相比較法測(cè)量聲波波速；4.熟練使用不確定度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解聲波研究的應(yīng)用，理解壓電陶瓷換能器的工作原理；實(shí)驗(yàn)?zāi)?6壓電陶瓷換能器工作原理

實(shí)驗(yàn)所使用的壓電陶瓷換能器，一個(gè)是用來(lái)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)并在空氣中激發(fā)出超聲波；另一個(gè)用來(lái)接收振動(dòng)，同時(shí)在電輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。壓電系統(tǒng)有一諧振頻率，系統(tǒng)工作在諧振頻率時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械諧振，此時(shí)得到的電信號(hào)最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)原理——壓電陶瓷換能器工作原理實(shí)驗(yàn)所使用的壓電17正壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電材料受到與極化方向一致的應(yīng)力T的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個(gè)表面上就帶有符號(hào)相反的電荷，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場(chǎng)強(qiáng)度E，且具有線性關(guān)系：E=σT；當(dāng)力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)不帶電時(shí)的狀態(tài)。壓電式傳感器工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在壓電材料的極化方向施加與極化方向一致的外加電壓U，這些材料會(huì)產(chǎn)生伸縮形變S，且與U有線性關(guān)系：S=dU；若施加交變電場(chǎng)，則介質(zhì)因形變而振動(dòng)。正壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電材料受到與極化方向一致的應(yīng)力T的作用而變形18聲速測(cè)量的方法

超聲波具有波長(zhǎng)短、能定向傳播等特點(diǎn),所以實(shí)驗(yàn)選擇在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量。測(cè)量聲速最簡(jiǎn)單、最有效的方法之一是利用聲速v、振動(dòng)頻率f和波長(zhǎng)λ

之間的基本關(guān)系，即測(cè)量波長(zhǎng)λ有兩種方法：１）．位相比較法２）．共振干涉法

本實(shí)驗(yàn)在換能器諧振狀態(tài)下進(jìn)行聲速的測(cè)量，振動(dòng)頻率f即為所用換能器的諧振頻率實(shí)驗(yàn)原理——聲速測(cè)量的方法超聲波具有波長(zhǎng)短、能定向傳播等特點(diǎn),所191、壓電陶瓷換能器諧振頻率的調(diào)節(jié)

根據(jù)示波器顯示的波形幅度確定換能器（發(fā)射端）激勵(lì)信號(hào)頻率。改變信號(hào)發(fā)生器的頻率時(shí)，看到…參數(shù)測(cè)量：

諧振頻率：室溫：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、壓電陶瓷換能器諧振頻率的調(diào)節(jié)根據(jù)示波器顯示202、聲速測(cè)量——位相比較法波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說(shuō)是位相的傳播。沿傳播方向上的任何兩點(diǎn)，其振動(dòng)狀態(tài)相同,即同相(位相差為0或者說(shuō)其位相差為2π的整數(shù)倍)，兩點(diǎn)間的距離

l

應(yīng)等于波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍，即

(n為正整數(shù))利用這個(gè)公式可測(cè)量波長(zhǎng)。注：聲波是縱波，圖以橫波示例，為清楚說(shuō)明物理量的關(guān)系。2、聲速測(cè)量——位相比較法波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說(shuō)是位21

位相比較法測(cè)聲速裝置示意圖位相比較法接線圖位相比較法測(cè)聲速裝置示意圖位相比較法接線圖22

示波器CH1和CH2分別接換能器發(fā)射端和接收端，示波器的“掃描信號(hào)周期”選擇“X-Y”檔，當(dāng)改變換能器之間的距離時(shí)……位相比較法信號(hào)輸出兩個(gè)同斜率直線所對(duì)應(yīng)的換能器間距為一個(gè)波長(zhǎng)λ

。示波器CH1和CH2分別接換能器發(fā)射端和接收端，示波23位相比較法數(shù)據(jù)處理（1）記錄半波長(zhǎng)數(shù)據(jù)李薩如圖形接收頭位置Ｌ１Ｌ２Ｌ３Ｌ４Ｌ４Ｌ５Ｌ６Ｌ７Ｌ９Ｌ９Ｌ10Ｌ11Ｌ12卡尺讀數(shù)（cm）接收頭位置接收頭位置

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（cm）（２）使用逐差法處理波長(zhǎng)數(shù)據(jù)位相比較法數(shù)據(jù)處理（1）記錄半波長(zhǎng)數(shù)據(jù)李薩如圖形接收頭位置Ｌ24（3）使用不確定度概念處理數(shù)據(jù)使用不確定度概念進(jìn)行“直接測(cè)量量”數(shù)據(jù)處理的提示：測(cè)量量N的A類分量：測(cè)量量N的B類分量：取其儀器誤差限，考慮為均勻分布測(cè)量量N的合成不確定度：使用不確定度概念進(jìn)行“間接測(cè)量量”數(shù)據(jù)處理的提示：測(cè)量量Ｖ的計(jì)算：測(cè)量量Ｖ的不確定度傳遞：（4）計(jì)算理論值，并與實(shí)驗(yàn)值相比較（3）使用不確定度概念處理數(shù)據(jù)使用不確定度概念進(jìn)行“直接測(cè)量253、聲速測(cè)量——共振干涉法

共振干涉法也稱駐波法。發(fā)射器發(fā)出的聲波近似于平面波。經(jīng)接收器反射后，波將在兩端面間來(lái)回反射,并且疊加。當(dāng)兩個(gè)換能器之間的距離等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達(dá)到極大。由縱波的性質(zhì)可以證明，振動(dòng)位移處于波節(jié)時(shí)，則聲壓是處于波腹，此時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)最強(qiáng)。返3、聲速測(cè)量——共振干涉法共振干涉法也稱駐波法。發(fā)射26