實驗三聲速的測量

實驗三聲速的測量1第1頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗?zāi)康摹?.學(xué)會用共振干涉法、相位比較法和時差法測量聲速，并加深對共振、振動合成波的干涉等理論知識的理解。2.進一步掌握示波器和低頻信號發(fā)生器的使用。ExperimentalpurposeLearnhowtomeasurespeedofsoundusingresonantinterference,phasecomparisonandtimedifference,andcomprehendelements-resonance,vibrationcomposing，waveinterference,etcbetter.Commandtheuseofoscilloscopesandlowfrequencysignalgeneratorsinpractice.2第2頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗儀器】超聲聲速測定儀聲速測定儀信號源雙通道通用示波器等。ExperimentalapparatusSpeedofultrasonicmeasurersspeedofsoundmeasurerssignalsourceoscilloscopeswithbidirectionalchannels,etc3第3頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗原理】Experimentalprinciple在波的傳播過程中波速v、波長與頻率f之間存在著的關(guān)系，若能同時測定媒質(zhì)中聲波傳播的頻率及波長，即可求得此種媒質(zhì)中聲波的傳播速度v。測量聲速也可以利用v=L/t，其中L為聲波傳播的路程，t為聲波傳播的時間。通過測量v還可了解被測媒質(zhì)特性或狀態(tài)的變化，這在工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)實驗上有廣泛的實用意義。4第4頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1.超聲波的產(chǎn)生和接收發(fā)射和接收超聲波的器件：壓電陶瓷。壓電陶瓷具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。在發(fā)射壓電陶瓷上加交變電壓，則產(chǎn)生縱向機械振動，產(chǎn)生超聲波（逆壓電效應(yīng)）.接收壓電陶瓷接收到超聲波后，產(chǎn)生電信號。（正壓電效應(yīng)）.固定超聲波發(fā)射頭可移動超聲波接收頭底座標尺刻度鼓輪

聲速測量儀圖電聲聲電5第5頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月壓電陶瓷有一個諧振頻率f0（如40KHz）當輸入電信號的頻率等于諧振頻率f0時，壓電陶瓷產(chǎn)生振動或信號最大。超聲波單色性好，方向性強，波長較短，故用超聲波作聲源，聲速測量精確度較高。2.聲速原理

V=fλ聲源振動頻率f：直接由函數(shù)發(fā)生器讀出.聲波波長λ：駐波振幅極值法和相位比較法測量.6第6頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1、共振干涉（駐波StandingWave）法測聲速

S1作為超聲源源（發(fā)射頭），低頻信號發(fā)生器輸出的正弦交變電壓信號接到換能器S1上，使S1發(fā)出一列平面波。S2作為超聲波接收頭，把接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成交變的正弦電壓信號后，輸入示波器觀察。當S1和S2之間的距離L滿足下式：L=n/2

（n=1、2..）時，形成駐波。圖4-3-1實驗裝置接線圖實驗裝置接線圖圖中S1和S2為壓電陶瓷超聲換能器y地x信號發(fā)生器地聲速測量儀S1S2l7第7頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月這樣，S2在接收超聲波的同時還反射一部分超聲波。由S1發(fā)出的超聲波和由S2反射的超聲波在S1和S2之間產(chǎn)生定域干涉，而形成駐波。L

聲壓駐波分布聲壓波節(jié)波腹

產(chǎn)生駐波的條件8第8頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月對某一特定波長，將相繼出現(xiàn)一系列共振態(tài)，任意兩個相鄰的共振態(tài)之間，S2的位移為：所以當S1和S2之間的距離L連續(xù)改變時，示波器上的信號幅度每一次周期性變化，相當于S1和S2之間的距離改變了。此距離可由游標卡尺測得，頻率由信號發(fā)生器讀得。根據(jù)波速公式：可以求得聲速。9第9頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月2.相位比較法Phasecomparison如圖所示，置示波器功能于X－Y方式。當S1發(fā)出的平面超聲波通過媒質(zhì)到達接收器S2時，在發(fā)射波和接受波之間產(chǎn)生位相差：

當L=nλ（n=1、2…）時，φ=2nπ，波在S1

、S2同相；而當L=(n-1/2)λ時，φ=(2n-1)π，波在S1

、S2相位相反，由此測量波長。相位差與李薩如圖φ=5π/4φ=2πφ=3π/2φ=7π/4φ=3π/4φ=πφ=0φ=π/2φ=π/410第10頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月改變S1和S2之間的距離L，相當于改變了發(fā)射波和接受波之間的位相差，熒光屏上的圖形也隨L不斷變化。當S1

、S2之間距離改變半個波長則。隨著振動的位相差從的變化，李薩如圖形從斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再變到斜率為負的直線。因此，每移動半個波長，就會重復(fù)出現(xiàn)斜率符號相反的直線，測得了波長和頻率，根據(jù)式可計算出室溫下聲波在媒質(zhì)中傳播的速度。相位差與李薩如圖φ=5π/4φ=2πφ=3π/2φ=7π/4φ=3π/4φ=πΦ=0φ=π/2φ=π/411第11頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月3.時差法Timedifference設(shè)以脈沖調(diào)制信號激勵發(fā)射換能器，產(chǎn)生的聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過t時間后，到達L距離處的接收換能器?？梢杂靡韵鹿角蟪雎暡ㄔ诮橘|(zhì)中傳播的速度：圖4-3-2發(fā)射與接收波形圖12第12頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月【實驗內(nèi)容】Experimentalcontent1、聲速測試儀系統(tǒng)的連接與調(diào)試通電后預(yù)熱15min.，信號源自動工作在連續(xù)波方式聲速測試儀和信號源及雙通道示波器之間的連接如圖所示。圖4-3-1實驗裝置接線圖13第13頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月2、測定壓電陶瓷換能器系統(tǒng)的最佳工作點（1）超聲換能器工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)在100mV～500mV之間調(diào)節(jié)聲速測試儀信號源輸出電壓，在25～45kHz之間調(diào)節(jié)信號頻率，通過示波器觀察頻率調(diào)整時接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（34.5~37.5kHz之間）電壓幅度最大，同時聲速測試儀信號源的信號指示燈亮，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配的頻率點，記錄頻率

f。14第14頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）改變S1和S2之間的距離選擇示波器屏上呈現(xiàn)出最大電壓波形幅度時的位置，再微調(diào)信號頻率，如此重復(fù)調(diào)整，再次測定工作頻率，共測5次，將數(shù)據(jù)填入表1并求平均值。15第15頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月3.共振干涉法（駐波法）測量波長

(1)將信號源測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，設(shè)定最佳工作頻率為。

(2)將示波器調(diào)到合適的工作方式,觀察示波器，找到接收波形的最大值。轉(zhuǎn)動聲速儀距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時波形的幅度會發(fā)生變化,記錄幅度為最大時的距離Li；再向前或者向后沿一個方向移動接收器的位置，當接收波形幅度由大變小，再由小變大，且達到最大時，記錄此時的距離Li＋1.波長。接收器的位置由主尺刻度、手輪的位置決定。手輪與絲桿相連上分為100分格，每轉(zhuǎn)一周，接收器平移1mm，故手每一小格為0.01mm，可估到0.001mm。

16第16頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）連續(xù)移動接收器的位置，觀測示波器相繼出現(xiàn)的極大值，依次在表2中記錄游標尺的相應(yīng)值，用逐差法處理數(shù)據(jù)。（4）根據(jù)求出聲速。17第17頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月測量方案及實施示意圖18第18頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月4.相位比較法（李薩如圖形）測量波長（1）將信號源測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，設(shè)定最佳工作頻率為。（2）首先，置示波器于雙蹤顯示功能，觀察發(fā)射和接收信號波形，轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，至接收信號幅度達最大值時的位置。調(diào)節(jié)示波器CH1、CH2衰減靈敏度旋鈕、信號源發(fā)射強度、接收增益，令兩波形幅度幾乎相等，觀察兩波形曲線間的關(guān)系。（3）然后，置示波器于X－Y功能方式，這時觀察到的李薩如圖形為一斜線，否則可微調(diào)聲速儀的鼓輪實施之，記錄下此時的距離Li。19第19頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）單向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)鼓輪，改變換能器之間的距離。當移動一個波長時，觀察到波形又返回前面所說的特定角度的斜線，這時來自接收換能器S2的振動波形發(fā)生了2π相移，記錄此時的距離Li＋1。即：波長。（5）多次測定，依次在表3中記錄游標尺的相應(yīng)值，并用逐差法處理數(shù)據(jù)。（6）根據(jù)求出聲速。相位差與李薩如圖φ=5π/4φ=2πφ=3π/2φ=7π/4φ=3π/4φ=πΦ=0φ=π/2φ=π/420第20頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月5.時差法測量聲速（1）設(shè)置信號源測試方法為脈沖波方式，將聲速儀S1和S2之間距離調(diào)至≥50mm。（2）調(diào)節(jié)示波器接收增益，使顯示的接收波信號幅度在300～400mV左右（峰—峰值），再調(diào)定時器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離

Li和時間值ti（時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出或由示波器測出）。（3）移動S2，同時調(diào)節(jié)示波器接收增益使接收信號幅度始終保持一致。記錄這時的距離值Li＋1和顯示的時間值ti＋1。21第21頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）多次測定，依次在表4中記錄游標尺的相應(yīng)值，用逐差法處理數(shù)據(jù)，計算聲速