實(shí)驗(yàn)3-5聲速的測(cè)量.doc

實(shí)驗(yàn)3-5 聲速的測(cè)量聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波，由于其振動(dòng)方向與傳播方向一致，故聲波是縱波。振動(dòng)頻率在的聲波可以被人們聽到，稱為可聞聲波；頻率超過的聲波稱為超聲波。對(duì)于聲波特性的測(cè)量（如頻率、波速、波長、聲壓衰減和相位等）是聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)中的一個(gè)重要內(nèi)容，特別是聲波波速（簡稱聲速）的測(cè)量，在無損檢測(cè)、測(cè)距和定位、測(cè)氣體溫度的瞬間變化、測(cè)液體的流速、測(cè)材料的彈性模量等應(yīng)用中具有重要的意義。如測(cè)量氯氣等氣體或蔗糖溶液的濃度、橡膠乳液的密度以及測(cè)定輸油管中不同油品的分界面等，這些問題都可以通過測(cè)定這些物質(zhì)中的聲速來解決。聲速的測(cè)量方法可分為兩類；第一類方法是根據(jù)關(guān)系式，測(cè)出傳播距離和所需時(shí)間后，即可算出聲速；第二類方法是利用關(guān)系式，從測(cè)量其頻率和波長來算出聲速.本實(shí)驗(yàn)所采用的共振干涉法和相位比較法屬于后者，時(shí)差法則屬于前者。聲速與聲波的頻率無關(guān)，只決定于彈性介質(zhì)的性質(zhì)。由于超聲波具有波長短、易于定向發(fā)射及抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，所以在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量是比較方便的。對(duì)聲速這一非電量的測(cè)量本實(shí)驗(yàn)是利用壓電陶瓷換能器來進(jìn)行?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹繉W(xué)會(huì)用共振干涉法和相位法測(cè)量空氣中的聲速；學(xué)會(huì)使用示波器和信號(hào)發(fā)生器；加強(qiáng)對(duì)駐波及振動(dòng)合成等理論的理解?！绢A(yù)習(xí)思考題】實(shí)驗(yàn)中是如何獲得超聲波的？駐波法和相位法測(cè)聲速的方法有何異同？【實(shí)驗(yàn)原理】聲波的傳播速度與其頻率和波長的關(guān)系為 （3-5-1）測(cè)得聲波的頻率和波長，就可得到聲速。同樣，傳播速度亦可用表示，若測(cè)得聲波傳播所經(jīng)過的距離 和傳播時(shí)間，也可求得聲速。1超聲波與壓電陶瓷換能器超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點(diǎn)。在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)還在于超聲波的波長短，可以在短距離較精確地測(cè)出聲速。本實(shí)驗(yàn)超聲波的發(fā)射和接收采用的是壓電陶瓷制成的換能器（探頭），它利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)可以在機(jī)械振動(dòng)與交流電壓之間雙向換能。聲速測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中采用超聲波頻率一般都在之間。在此頻率范圍內(nèi)，采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器、接收器效果最佳。壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)如圖3-5-1所示。頭部用輕金屬做成喇叭形，尾部用重金屬做成柱形，中部為壓電陶瓷圓環(huán)，螺釘穿過圓環(huán)的中心。這種結(jié)構(gòu)增大了輻射面積。振子縱向長度的伸縮直接影響頭部輕金屬，發(fā)射的波有較好的方向性和平面性。圖3-5-1 縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖2共振干涉法（駐波法）測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-5-2 所示，圖中和為壓電晶體換能器，作為超聲波源，低頻信號(hào)發(fā)生器輸出的交流電信號(hào)接入換能器后，產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)而發(fā)出一近似平面超聲波。 為超聲波接收器，在接收聲波的同時(shí)還能反射一部分超聲波，反射波與入射波為相干波，形成駐波。圖3-5-2 聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖當(dāng)兩個(gè)換能器之間的距離等于半波長的整數(shù)倍時(shí)，來回聲波的波峰與波峰、波谷與波谷正好重疊，產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，波幅達(dá)到極大。從示波器上觀察到的電壓信號(hào)幅值也是極大值。設(shè)沿x方向入射波方程為 反射波方程為 入射波與反射波相干疊加，合成駐波 (3-5-2)當(dāng)時(shí)，振幅最大，稱為波腹。對(duì)應(yīng)在，位置上；當(dāng)時(shí)，振幅最小，稱為波節(jié)。對(duì)應(yīng)在，位置上； 由上述討論可以知道：任何兩相鄰的波腹或波節(jié)間的距離均為.當(dāng)信號(hào)發(fā)生器的策動(dòng)頻率等于駐波系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)的振幅最大，即發(fā)生駐波共振，聲波波腹處的振幅達(dá)到最大值。當(dāng)駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)時(shí)，駐波的波形不穩(wěn)定，且聲波波腹的振幅比最大值要小很多。緩慢的改變和之間的距離，在示波器屏上所顯示的波形幅值發(fā)生周期性的變化，即由一個(gè)極大值變到極小，再變到極大。在一系列特定的位置上，形成駐波，示波器上可觀察到信號(hào)幅度較大。在幅度較大時(shí)，在調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率，找到信號(hào)幅度最大的駐波共振狀態(tài)。移動(dòng)的過程中可以觀察到一系列的共振態(tài)。任意兩個(gè)相鄰極大值之間移動(dòng)的距離皆為半波長。若從第個(gè)共振狀態(tài)變化到第個(gè)共振狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)的距離為，則在連續(xù)多次測(cè)量相隔半波長的的位置變化，可得超聲波波長，從頻率儀上讀出超聲波頻率以后，即可算出聲速。3. 相位比較法（行波法）測(cè)量原理實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-5-2 所示，從發(fā)出的超聲波通過媒質(zhì)傳到接收器，接收器和發(fā)射器之間產(chǎn)生了相位差： (3-5-2)由上式可知，每改變一個(gè)波長，相位差就變化，通過觀察相位差的變化，便可測(cè)出。將發(fā)射器和接收器的正弦電壓信號(hào)分別輸入到示波器的CH1和CH2通道，在屏上便顯示出頻率為1:1的李薩如圖形。改變L時(shí)，兩個(gè)諧振動(dòng)的相位差從0，圖形就從斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再變到斜率為負(fù)的直線；位相差再由0，圖形又從斜率為負(fù)曲線變?yōu)闄E圓，再變回斜率為正的直線，如圖3-5-3所示。為了便于判斷，選擇李薩如圖為直線時(shí)作為測(cè)量的起點(diǎn)，移動(dòng)，當(dāng)變化一個(gè)波長時(shí)，就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)同樣斜率的直線。讀出移過的距離，就測(cè)出了超聲波的波長。圖3-5-3 用李薩如圖觀察相位變化4. 時(shí)差法測(cè)量原理時(shí)差法測(cè)量聲速的基本原理是基于.發(fā)射換能器定時(shí)發(fā)出一個(gè)聲脈沖，經(jīng)聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過時(shí)間后，到達(dá)距離處的接收換能器。由高精度計(jì)時(shí)電路得到聲波從發(fā)出到接收在媒質(zhì)中傳播的時(shí)間，并由聲速測(cè)試儀信號(hào)源時(shí)間顯示窗口直接讀出，聲波傳播的距離由數(shù)顯表頭記錄，從而計(jì)算出聲波在媒質(zhì)中的傳播速度?！緦?shí)驗(yàn)儀器】SV-DH系列聲速測(cè)試儀是由聲速測(cè)試儀測(cè)試架和聲速測(cè)試儀信號(hào)源二個(gè)部分組成。1聲速測(cè)試儀測(cè)試架圖3-5-4 超聲波聲速測(cè)試儀測(cè)試架結(jié)構(gòu)2測(cè)試儀專用信號(hào)源圖3-5-5 聲速測(cè)試儀信號(hào)源面板信號(hào)頻率：調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率；發(fā)射強(qiáng)度：調(diào)節(jié)輸出信號(hào)電功率（輸出電壓），僅連續(xù)波有效。接收增益：調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部的接收增益?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1. 駐波法測(cè)量聲速（1）電路連接與儀器調(diào)整儀器使用前，加電開機(jī)預(yù)熱15分鐘，在接通市電后，自動(dòng)工作在連續(xù)波方式。如圖3-5-2所示，信號(hào)源面板上的發(fā)射端換能器接口，用于輸出一定頻率的功率信號(hào)，請(qǐng)接至測(cè)試架的發(fā)射換能器；信號(hào)源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形，請(qǐng)接至雙蹤示波器的CH1（Y1），用于觀察發(fā)射波形；接收換能器的輸出接至示波器的CH2（Y2）.（2）測(cè)定壓電陶瓷換能器的頻率工作點(diǎn) 將信號(hào)發(fā)生器輸出頻率調(diào)至諧振頻率附近（之間），移動(dòng)，示波器顯示正弦波振幅的變化，移動(dòng)到振幅較大處，固定，再仔細(xì)調(diào)節(jié)頻率，使圖形幅度達(dá)到最大，此頻率即是壓電換能器相匹配的一個(gè)諧振工作點(diǎn)，由信號(hào)源頻率顯示窗口直接讀出頻率。（3）測(cè)量在諧振頻率下，將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，選擇合適的發(fā)射強(qiáng)度。轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，記錄下幅度為最大時(shí)的距離，再向前或者向后（必須是一個(gè)方向）移動(dòng)距離，當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時(shí)，記錄下此時(shí)的距離，并進(jìn)行多次測(cè)定，將所采集的數(shù)據(jù)填于表3-5-1中。2相位法（李薩茹圖法）測(cè)量聲速將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，選擇合適的發(fā)射強(qiáng)度。將示波器打到“X-Y”方式，選擇合適的示波器通道增益，示波器顯示李薩茹如圖形。轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，移動(dòng)，使李薩茹如圖顯示的橢圓變?yōu)橐欢ń嵌鹊囊粭l斜線，記錄下此時(shí)的距離。再向前或者向后（必須是一個(gè)方向）移動(dòng)距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，這時(shí)接收波的相位變化，記錄下此時(shí)的距離，多次測(cè)定，將所采集的數(shù)據(jù)填于表3-5-2中。3時(shí)差法測(cè)量聲速（選做）使用空氣為介質(zhì)測(cè)試聲速，按圖3-5-2進(jìn)行接線，這時(shí)示波器的、通道分別用于觀察發(fā)射和接收波形。為了避免連續(xù)波可能帶來的干擾，可以將連續(xù)波頻率調(diào)離換能器諧振點(diǎn)。將測(cè)試方法設(shè)置到脈沖波方式，選擇合適的脈沖發(fā)射強(qiáng)度。將移動(dòng)到離開一定距離（50mm），選擇合適的接收增益，使顯示的時(shí)間差值讀數(shù)穩(wěn)定。然后記錄此時(shí)的距離值和信號(hào)源計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間值、.移動(dòng)，記錄多次測(cè)量的距離值和顯示的時(shí)間值、（數(shù)據(jù)記錄表格自擬），將所采集的數(shù)據(jù)填于自擬的表格中。4注意事項(xiàng)測(cè)量時(shí)，旋轉(zhuǎn)鼓輪應(yīng)向同一方向旋轉(zhuǎn)，以避免空程誤差；電源接通時(shí)，兩超聲換能器不得接觸；在距離50mm時(shí),在一定的位置上，示波器上看到的波形可能會(huì)產(chǎn)生“拖尾”，這時(shí)顯示的時(shí)間值很小。這是由于距離較近時(shí)，聲波的強(qiáng)度較大，反射波引起的共振在下一個(gè)測(cè)量周期到來時(shí)未能完全衰減而產(chǎn)生的。調(diào)小接收增益,可去掉“拖尾”,在較近的距離范圍內(nèi)也能得到穩(wěn)定的聲速值。由于空氣中的超聲波衰減較大，在較長距離內(nèi)測(cè)量時(shí)，接收波會(huì)有明顯的衰減，這可能會(huì)帶來計(jì)時(shí)器讀數(shù)有跳字，這時(shí)應(yīng)微調(diào)（距離增大時(shí)，順時(shí)針調(diào)節(jié)；距離減小時(shí)，逆時(shí)針調(diào)節(jié)）接收增益，使計(jì)時(shí)器讀數(shù)在移動(dòng)時(shí)連續(xù)準(zhǔn)確變化?？梢詫⒔邮論Q能器先調(diào)到遠(yuǎn)離發(fā)射換能器的一端，并將接收增益調(diào)至最大，這時(shí)計(jì)時(shí)器有相應(yīng)的讀數(shù)。由遠(yuǎn)到近調(diào)節(jié)接收換能器，這時(shí)計(jì)時(shí)器讀數(shù)將變??；隨著距離的變近，接收波的幅度逐漸變大，在某一位置，計(jì)時(shí)器讀數(shù)如果有跳字，就逆時(shí)針方向微調(diào)接收增益旋鈕，使計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)讀數(shù)連續(xù)準(zhǔn)確變化，就可準(zhǔn)確測(cè)得計(jì)時(shí)值?！緮?shù)據(jù)處理與分析】1. 駐波法測(cè)量聲速表3-5-1 駐波法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表（聲波頻率 介質(zhì)溫度）12345678用逐差法處