超聲波聲速的測(cè)量

超聲波聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)進(jìn)一步熟悉示波器的基本結(jié)構(gòu)和原理。(2)了解壓電換能器的功能，加深對(duì)駐波及振動(dòng)合成等理論知識(shí)的理解。(3)學(xué)習(xí)幾種測(cè)定聲波傳播速度的原理和方法。(4)通過(guò)時(shí)差法對(duì)聲波傳播速度的測(cè)量，了解聲納技術(shù)的原理及其重要的實(shí)用意義。實(shí)驗(yàn)方法原理聲波是一種彈性媒質(zhì)中傳播的縱波，波長(zhǎng)、強(qiáng)度、傳播速度等是聲波的重要參數(shù)，超聲波是頻率大于20kH的機(jī)械波，本實(shí)驗(yàn)利用聲速與振動(dòng)頻率f和波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系v=λf來(lái)測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度。SV5型聲速測(cè)量組合實(shí)驗(yàn)儀（含專用信號(hào)源），可以做時(shí)差法測(cè)定超聲波傳播速度的實(shí)驗(yàn)；配以示波器可完成利用共振干涉法，雙蹤比較法和相應(yīng)比較法測(cè)量聲速的任務(wù)。本聲速測(cè)量?jī)x是利用壓電體的逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生超聲波，利用正壓電效應(yīng)接收超聲波，測(cè)量聲速的四種實(shí)驗(yàn)方法如下：（由于聲波頻率可通過(guò)聲源的振動(dòng)頻率得出，所以測(cè)量聲波波長(zhǎng)是本實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)。）（1）李薩如圖形相位判別法頻率相同的李薩如圖形隨著Δφ的不同，其圖形的形狀也不同，當(dāng)形狀為傾斜方向相同的直線兩次出現(xiàn)時(shí)，Δφ變化2π，對(duì)應(yīng)接受器變化一個(gè)波長(zhǎng)。（2）共振法由發(fā)射器發(fā)出的平面波經(jīng)接受器發(fā)射和反射器二次反射后，在接受器與發(fā)射器之間形成兩列傳播方向相同的疊加波，觀察示波器上的圖形，兩次加強(qiáng)或減弱的位置差即為波形λ。（3）雙蹤相位比較法直接比較發(fā)信號(hào)和接收信號(hào)，同時(shí)沿傳播方向移動(dòng)接受器位置，尋找兩個(gè)波形相同的狀態(tài)可測(cè)出波長(zhǎng)。（4）時(shí)差法測(cè)出脈沖聲速傳播距離X和所經(jīng)歷時(shí)間t,便可求得聲速。實(shí)驗(yàn)步驟(1)李薩如圖形相位比較法轉(zhuǎn)動(dòng)聲速測(cè)量組合實(shí)驗(yàn)儀的距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形當(dāng)出現(xiàn)兩次傾斜方向相同的傾斜直線時(shí)，記錄這兩次換能器的位置，兩次位置之差為波長(zhǎng)。(2)共振法移動(dòng)聲速測(cè)量?jī)x手輪會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)振幅發(fā)生變化，信號(hào)變化相鄰兩次極大值或極小值所對(duì)應(yīng)的接受器移動(dòng)的距離即是λ/2 ，移動(dòng)手輪，觀察波形變化，在不同位置測(cè)6次，每次測(cè)3個(gè)波長(zhǎng)的間隔。(3)比較法使雙通道兩路信號(hào)雙蹤顯示幅度一樣，移動(dòng)手法會(huì)發(fā)現(xiàn)其中一路在移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)信號(hào)兩次與固定信號(hào)重合時(shí)所對(duì)應(yīng)的接收器移動(dòng)的距離是λ，移動(dòng)手輪，觀察波形變化，多記錄幾次兩路信號(hào)重合時(shí)的位置，利用逐差法求波長(zhǎng)。(4)時(shí)差法轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使兩換能器的距離加大，每隔10mm左右記錄一次數(shù)據(jù)xi和ti,根據(jù)公式獲得一系列vi后，可以利用逐差法求得聲速v的平均值υ 。數(shù)據(jù)處理(1)李薩如圖形相位比較法溫度＝20.8℃ 信號(hào)發(fā)生器顯示頻率＝37.003kHz接受器位置序號(hào)接受器位置坐標(biāo)

055.40

164.53

273.94

383.40

492.65

5101.90/mm接受器位置序號(hào)接受器位置坐標(biāo)/mmxj=x+6?xx

6111.3055.909.32

7120.6856.159.36

8129.9556.019.34

9139.2555.859.31

10148.6055.959.33

11158.0656.169.36λi=

i

6

1

5

?3

2λ

λ= Σ =

×9.34 10

λ= =m;v f

3.4561×10 /6j=0(2)共振法

j

m s溫度＝20.8℃ 信號(hào)發(fā)生器顯示頻率＝37.012kHz次數(shù)123456

1

接受器記錄48.2076.28104.40132.41160.59188.696

被測(cè)數(shù)76.28104.40132.41160.59188.69216.72

被測(cè)λ數(shù)n333333

x=a1?a228.0828.1228.0128.1828.1028.03

/mm λ=x/n /mm λ9.369.379.349.36×10-39.399.379.34其中

λ = Σλi=6i=1

×9.36 10

?3

m；v

= λ =3.4649×102/v f m s(3)比較法溫度＝20.8℃ 信號(hào)發(fā)生器顯示頻率＝37.015kHz接受器位置序號(hào) 0 1 2

3

4

5接受器位置坐標(biāo) 57.65接受器位置序號(hào) 6接受器位置坐標(biāo) 114.06/mm

67.047123.50

76.388132.77

86.759142.26

95.1210151.58

104.5911161.09xj=xi+6?xi

56.41

56.46

56.39

55.51

56.46

56.501

5λj6jj=Σλ=0(4)時(shí)差法

9.40

9.41

9.40

9.25

9.41

9.42溫度＝20.8℃ 信號(hào)發(fā)生器顯示頻率＝37.032kHz接收器位置序號(hào)i 0 1 2

3

4

5接收器位置坐標(biāo)xi/mm 56.85 66.80

76.80

86.80

96.80

106.80脈沖傳播時(shí)間ti/us接收器位置序號(hào)i

3476

3777

4078

4349

46510

49111接收器位置坐標(biāo)xi/mm 116.80 126.80

136.80

146.80

156.80

166.80脈沖傳播時(shí)間ti/us+ ? ?xixi

522

551

579

606

635

663vj

=

6ti+6?

t

i

/ms1

342.57 344.83

348.84

348.84

352.94

348.84υ =

1

5Σ

=

×

2j= υj6 0

3.4781 10

mm/s(5)環(huán)境溫度為T(mén)(℃)時(shí)的聲速ν =ν

o

T1+ =T

× +331.5 1

.208.

=

343.89m/so(6)不確定度的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果1 5

27315λ

=

Σλ

=

?3

ν fλ

26 j=0j

9.38×10 m;

= =3.4720×10 m/sλ

Σ(λ?λi

2)

?

6

()uA( )=

n(n?1)

=6.83×10 m

uB=1×10?5m2

2

1.21×10?5mu(λ)= uA(λ)+uB(λ)

=u(f )=uB( f)=5×10?4×37.003×103+1=19.502Hzλ

2[u(λ)]+[

u()2uc(v) f

= ? ?

λ

f

]=37.003×103×9.34×10?3×1.3986×10?3=0.4834m/s取k=2，則U=2uc(v)=0.9668m/sv=(v+v)=(345.61±0.97)m/s1.示波器在使用過(guò)程中熒光屏上只有一條水平亮線而沒(méi)有被測(cè)信號(hào)是什么原因造成的?答：在示波器的使用過(guò)程中，上述現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的原因很多，大致可歸納為：①示波器接地（GND）（測(cè)量時(shí)接地按鍵GND應(yīng)該彈起）；②衰減開(kāi)關(guān)VOLTS/DIV選擇過(guò)大（測(cè)量時(shí)可先選擇小些）；③信號(hào)發(fā)生器輸出過(guò)小或沒(méi)有輸出；④信號(hào)發(fā)生器輸出直流信號(hào)；⑤在信號(hào)的傳輸中，導(dǎo)線或接頭接觸不良，也可造成該現(xiàn)象；⑥示波器的相關(guān)功能鍵都應(yīng)選擇在正確工作狀態(tài)下?？傊绊懙囊蛩睾芏?，要求使用者在使用前一定認(rèn)真閱讀教材。2.在測(cè)量聲速時(shí)，Y1(CH1)的輸入信號(hào)，由于示波器的Y軸放大器、壓電轉(zhuǎn)換器、聯(lián)接線路的相移等原因并不與聲波的位相相同，這對(duì)于觀察測(cè)量聲波波長(zhǎng)有無(wú)影響?為什么?答：沒(méi)有影響。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)是波在傳播過(guò)程中位相差為2π的兩點(diǎn)間的距離，與該處位相無(wú)關(guān)，所以無(wú)影響。3.試比較幾種測(cè)聲速方法的優(yōu)缺點(diǎn)。答：實(shí)驗(yàn)講義上共列出了三種測(cè)量方法：①李薩如圖相位比較法，②共振法，③波形相位比較法。一般說(shuō)來(lái)，李薩如圖相位比