聲速測量實驗報告

聲速測量試驗報告【試驗?zāi)康摹繉W會測量超聲波在空氣中的傳播速度的方法。理解駐波和振動合成理論。學會用逐差法進展數(shù)據(jù)處理。了解壓電換能器的功能和培育綜合使用儀器的力氣?！驹囼瀮x器】信號發(fā)生器、雙蹤示波器、聲速測定儀?！驹囼炘怼柯暡ǖ膫鞑ニ俣葀f和波長的關(guān)系為：可見，只要測出聲波的頻率ff可由聲源的振動頻率得到，因此，試驗的關(guān)鍵就是如何測定聲波波長。駐波法〔共振干預(yù)法〕如右圖所示，試驗時將信號發(fā)生器輸出的正弦電壓信號接到放射超聲換能器上，超聲放射換能器通過電聲轉(zhuǎn)換，將電壓信號變?yōu)槌暡?，以超聲波形式放射出去。接收換能器通過聲電轉(zhuǎn)換，將聲波信號變?yōu)殡妷盒盘柡?，送入示波器觀看。由聲波傳播理論可知，從放射換能器發(fā)出確定頻率的平面聲波，經(jīng)過空氣傳播，到達接收換能器。假設(shè)接收面和放射面嚴格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波與反射波相互干預(yù)形成駐波。此時，兩換能器之間的距離恰好等于其聲波半波長的整數(shù)倍。在聲駐波中，波腹處聲壓〔空氣中由于聲擾動而引起的超出靜態(tài)大氣壓強的那局部壓強〕最小，而波節(jié)處聲壓最大。當接收換能器的反射界面處為波節(jié)時，聲壓效應(yīng)最大，經(jīng)接收器轉(zhuǎn)換成電信號后從示波器上觀看到的電壓信號幅值也是極大值，所以可從接收換能器端面聲壓的變化來推斷超聲波駐波是否形成。移動卡尺游標，轉(zhuǎn)變兩只換能器端面的距離，在一系列特定的距離上，媒質(zhì)中將消滅穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象，此時，兩換能器間的距離等于半波長的整數(shù)倍，只要我們監(jiān)測接收換能器輸出電壓幅度的變化，記錄下相鄰兩次消滅最大電壓數(shù)值時〔即接收器位于波節(jié)處〕卡尺的讀數(shù)〔兩讀數(shù)之差確實定值等于半波長，則依據(jù)公式：vf其中超聲波的頻率可由信號發(fā)生器直接讀得。相位比較法試驗接線如以以下圖所示。波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。在聲波傳播方向上，全部質(zhì)點的振動位相逐一落后，各點的振動位相又隨時間變化。聲波波源和接收點存在著位相差，而這位相差則可以通過比較接收換能器輸出的電信號與放射換能器輸入的正弦交變電壓信號的位相關(guān)系中得出，并可利用示波器的李薩如圖形來觀看。位相差和角頻率、傳播時間t之間有如下關(guān)系：t2，tlvt v〔Tlv代入上式得：

2l當ln2 〔n=1，2，3，...〕時，可得n。由上式可知：當接收點和波源的距離變化等于一個波長時，則接收點和波源的位相差也正好變化一個周期〔即Ф=2π。試驗時，通過轉(zhuǎn)變放射器與接收器之間的距離，觀看到相位的變化。當相位差轉(zhuǎn)變πl(wèi)出波速。超聲波的放射與接收——壓電陶瓷換能器聲速測定儀如以以下圖所示，在支架和絲杠上相向安置兩個固有頻率一樣的壓電陶瓷換能器，左端支架上固定的是放射換能器，右端可移動底座安裝的是接收換能器，當旋轉(zhuǎn)帶刻度手輪及借助螺旋測微裝置，就可周密地調(diào)整并測出兩換能器之間的距離。以以下圖中兩換能器的核心元件〔壓電片〕都是由壓電材料〔如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷等〕做成，壓電材料具有正壓電效應(yīng)〔在應(yīng)力作用下兩極產(chǎn)生異號電荷，兩極間產(chǎn)生電位差〔壓電材料兩端間加上外加電壓時能產(chǎn)生應(yīng)變上述可逆效應(yīng)將壓電材料制成的壓電換能器可以實現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。當左邊壓電換能器S1S2為聲波接收器?！驹囼瀮?nèi)容】用駐波法〔共振法〕測聲速：按圖連接裝置，將信號源調(diào)至壓電陶瓷換能器的固有頻率，示波器疊加方式用“Y2”，內(nèi)觸發(fā)電源亦選“Y2”或“Y1/Y2”，連續(xù)轉(zhuǎn)變接收器位置，觀看聲壓變化與接收器位置的關(guān)系，由此測定超聲波波長。用相位比較法〔李薩如圖形法〕測聲速：按圖連接儀器裝置，示波器疊加方式用“交替”或“斷續(xù)”，內(nèi)觸發(fā)電源選“Y2”，按下示波器的“X-Y”鍵，轉(zhuǎn)變接收器位置，通過李薩如圖形測定超聲波波長?！緮?shù)據(jù)處理 】駐波法〔共振干預(yù)法〕數(shù)據(jù)表1 f＝37.022KHz1234567891011121314151617181920工程2428333842475257626671768085899499104109113.0.6.2.9.6.3.1.8.5.2.9.8.4.1.7.6.2.84.14.792796687341755262682871737298026548232逐差X－XX－XX－XX－XX－XX－XX－XX－XX－XX－X11 112 213 314 415 516 617 718 819 920 10(10x)47.94448.17747.20446.22547.06147.29047.12346.98046.57547.5649.58889.63549.44089.24509.41229.45809.42469.39609.31509.5128的平S〔mm〕2XS〔mm〕2XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX9.44286均值ni1ni1()2in1

0.36887mm為儀器誤差?。?.001mm；1.22469(S)21.22469(S)2()2

0.36887mmfB類不確定度0.001kHzUfV的不確定度*U2(lnVf)*U2f2V

*V

0.001526*349.594.328m/s0.001526V結(jié)果： VVU 349.594.328m/sV相位比較法數(shù)據(jù)表2 f＝37.022KHz12345678910111213141516171819208595105114123133141151161170179189198208217226236245254265.1.3.86.26.54.95.37.72.06.52.71.05.48.89.31.52.01.34.64.135359918971944243202107S〔mm〕2XS〔mm〕2XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX工程逐差X－XX－XX－XX－X13 3 14 4X－X15X－XX－XX－XX－XX－X11112251661771881992010〔10x〕94.56193.36392.61594.63293.76492.56193.63593.62093.57194.6139.45619.33639.26159.46329.37649.25619.36359.36209.35719.4613的平9.36935均值ni1ni1()2in1

0.075mm為儀器誤差取＝0.001mm；0.05069(S)20.05069(S)2()2

0.075mm儀 對于頻率f，只有B類不確定度 儀 的不確定度*U2(lnV*U2(lnVf)*U2f2V V結(jié)果： VVU 346.872.775m/sV【相關(guān)學問】機械振動在介質(zhì)中的傳播稱為機械波。聲波就是這種機械波。人耳能聽20Hz20kHz20Hz20kHz聲波在介質(zhì)中傳播速度取決于介質(zhì)的性質(zhì)，可利用聲速的測量來爭論介質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)的變化。而實際測量中并不是全部頻率的聲波都可測量。次聲波頻率低，波長大，難以測量；可聽見波干擾大。只有超聲波適于測量，20kHz【留意事項】正確使用信號發(fā)生器及示波器；試驗時一般將信號源輸出調(diào)至峰-峰值V 5VPP用聲速測量儀測定波長時，應(yīng)留意單方向〔一般是超聲波的傳播方向〕移動接收器，否則將會產(chǎn)生螺距間隙差。3．留意恰中選擇示波器的“掃描速度調(diào)整〔SEC/DIV〕”及“電壓調(diào)整