聲速測定實(shí)驗(yàn)報告

1、實(shí)驗(yàn)序號： 28實(shí)驗(yàn)題目：聲速測定試驗(yàn)時間： 2011 ·11 ·8實(shí)驗(yàn)室：成績：班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解壓電換能器的功能，加深對駐波及振動合成等理論知識的理解。2學(xué)習(xí)用共振干涉法、相位比較法和時差法測定超聲波的傳播速度。3通過用時差法對多種介質(zhì)的測量，了解聲納技術(shù)的原理及其重要的實(shí)用意義?！緦?shí)驗(yàn)原理】在波動過程中波速可通過測定聲波的波長V、波長和頻率f和頻率 f 之間存在著下列關(guān)系：Vf，實(shí)驗(yàn)中來求得聲速 V 。常用的方法有共振干涉法與相位比較法。聲波傳播的距離L與傳播的時間t存在下列關(guān)系：LVt，只要測出L 和 t就可測出聲波傳播的速度V，這就是時差

2、法測量聲速的原理。1共振干涉法（駐波法）測量聲速的原理：當(dāng)二束幅度相同，方向相反的聲波相交時，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。對于波束1：F1 Acos( t 2 X /)、波束 2：F2 Acost 2X / ，當(dāng)它們相交會時，疊加后的波形成波束3： F3 2A cos 2X /cost ，這里 為聲波的角頻率， t 為經(jīng)過的時間， X 為經(jīng)過的距離。由此可見，疊加后的聲波幅度，隨距離按cos 2X / 變化。如圖28.1 所示。 壓電陶瓷換能器 S1 作為聲波發(fā)射器，它由信號源供給頻率為數(shù)千周的交流電信號，由逆壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而換能器S2 則作為聲波的接收器，正壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換

3、成電信號，該信號輸入示波器，我們在示波器上可看到一組由聲壓信號產(chǎn)生的正弦波形。聲源S1 發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到 S2 ，在接收聲波信號的同時反射部分聲波信號，如果接收面（S2 ）與發(fā)射面（ S1 ）嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與發(fā)射波相干涉形成駐波。我們在示波器上觀察到的實(shí)際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器S2 處的振動情況。移動 S2 位置（即改變 S1 與 S2 之間的距離），你從示波器顯示上會發(fā)現(xiàn)當(dāng) S2 在某些位置時振幅有最小值或最大值。根據(jù)波的干涉理論可以知道：任何二相鄰的振幅最大值的位置之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為波的波長，可以在一邊觀察示波

4、器上聲壓振幅值的同時，緩/ 2 。為測量聲圖 28.1共振干涉法原理圖慢的改變 S1 和 S2 之間的距離。示波器上就可以看到聲振動幅值不斷地由最大變到最小再變到最大，二相鄰的振幅最大之間S2 移動過的距離亦為/ 2 。超聲換能器S2 至 S1之間的距離的改變可通過轉(zhuǎn)動螺桿的鼓輪來實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲波測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀出。在連續(xù)多次測量相隔半波長的S2 的位置變化及聲波頻率 f 以后，我們可運(yùn)用測量數(shù)據(jù)計算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。2相位法測量原理聲源 S1 發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場，聲場在介質(zhì)中任一點(diǎn)的振動相位是隨時間而變化的。但它和聲源的振動相位差不隨時間變

5、化。設(shè)聲源方程為：F1F01cost距聲源 X 處 S2 接收到的振動為：F2F02cosX(t)Y兩處振動的相位差：XY當(dāng)把 S1 和 S2 的信號分別輸入到示波器X 軸和 Y 軸，那么當(dāng) Xn即2n時，合振動為一斜率為正的直線，當(dāng)X2n 1/ 2，即2n1時，合振動為一斜率為負(fù)的直線，當(dāng) X 為其它值時，合成振動為橢圓（如圖28.2 ）。圖 28.2接收信號與發(fā)射信號形成李薩如圖3時差法測量原理以上二種方法測聲速，是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察二個波的相位差，原理是正確的，但存在讀數(shù)誤差。較精確測量聲速的方法是采用聲波時差法，時差法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號加到發(fā)

6、射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過時間 t 后，到達(dá)距離為 L 處的接收換能器，那么可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度，速度為 V L / t 。圖 28.3相位法原理圖【實(shí)驗(yàn)儀器】實(shí)驗(yàn)儀器采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的SV6 型聲速測量組合儀及SV 5 型聲速測定專用信號源各一臺，其外形結(jié)構(gòu)見圖28.4 。圖 28.4 SV6型聲速測量組合儀實(shí)物照片組合儀主要由儲液槽、傳動機(jī)構(gòu)、數(shù)顯標(biāo)尺、兩副壓電換能器等組成。儲液槽中的壓電換能器供測量液體聲速用，另一副換能器供測量空氣及固體聲速用。作為發(fā)射超聲波用的換能器S1 固定在儲液槽的左邊，另一只接收超聲波用的接收換能器S2 裝在可移動滑塊上。

7、上下兩只換能器的相對位移通過傳動機(jī)構(gòu)同步行進(jìn)，并由數(shù)顯表頭顯示位移的距離。S1 發(fā)射換能器超聲波的正弦電壓信號由 SV 5 聲速測定專用信號源供給，換能器 S2 把接收到的超聲波聲壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，用示波器觀察；時差法測量時則還要接到專用信號源進(jìn)行時間測量，測得的時間值具有保持功能。實(shí)驗(yàn)時用戶需自備示波器一臺；300mm 游標(biāo)卡尺一把，用于測量固體棒的長度。圖 28.5共振干涉法、相位法（上）、時差法（下）測量連線圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 聲速測量系統(tǒng)的連接聲速測量時， SV 5 專用信號源、 SV 6 測試儀、示波器之間，連接方法見圖28.5 。2. 諧振頻率的調(diào)節(jié)根據(jù)測量要求初步調(diào)節(jié)好示波器。將

8、專用信號源輸出的正弦信號頻率調(diào)節(jié)到換能器的諧振頻率，以使換能器發(fā)射出較強(qiáng)的超聲波，能較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果，方法如下：（ 1）將專用信號源的“發(fā)射波形”端接至示波器，調(diào)節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號；（2）專用信號源的上“發(fā)射強(qiáng)度”旋鈕，使其輸出電壓在20VP P 左右，然后將換能器的接收信號接至示波器，調(diào)整信號頻率25kHz 45kHz，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（34.5kHz 39.5kHz 之間，因不同的換能器或介質(zhì)而異）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器S1 、 S2 相匹配頻率點(diǎn)，記錄此頻率f i 。（3）改變S1 、 S2 的

9、距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調(diào)節(jié)正弦信號頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達(dá)到最大值。共測5 次取平均頻率f。3. 共振干涉法、相位法、時差法測量聲速的步驟（1）共振干涉法（駐波法）測量波長將測試方法設(shè)置到連續(xù)方式。按前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二的方法，確定最佳工作頻率。觀察示波器，找到接收波形的最大值，記錄幅度為最大時的距離，由數(shù)顯尺上直接讀出或在機(jī)械刻度上讀出；記下 S2 位置 X 0 。然后，向著同方向轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時波形的幅度會發(fā)生變化（同時在示波器上可以觀察到來自接收換能器的振動曲線波形發(fā)生相移），逐個記下振幅最大的X1 ， X 2 ， X 9 共 10 個點(diǎn)，單次測量的波長i 2 X

10、 i X i 1 。用逐差法處理這十個數(shù)據(jù)，即可得到波長。（2）相位比較法（李薩如圖法）測量波長將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式。確定最佳工作頻率，單蹤示波器接收波接到“ Y ”，發(fā)射波接到“接到“ CH 2 ”，打到“EXT X”外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“CH1”，發(fā)射波Y ” 顯示方式，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記下S2 的位置X 0 ，再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，這時來自接收換能器S2 的振動波形發(fā)生了2相移。依次記下示波器屏上斜率負(fù)、正變化的直線出現(xiàn)的對應(yīng)位置X ，X ，X 。

11、單次波長2XX。多次測定129iii 1用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長。3）時差法測量聲速 空氣介質(zhì)測量空氣聲速時 , 將專用信號源上 “聲速傳播介質(zhì) ” 置于 “空氣 ”位置 , 發(fā)射換能器（帶有轉(zhuǎn)軸）用緊定螺釘固定，然后將話筒插頭插入接線盒中的插座中。將測試方法設(shè)置到脈沖波方式。將S1 和 S2 之間的距離調(diào)到一定距離（50mm ）。開啟數(shù)顯表頭電源，并置0 ，再調(diào)節(jié)接收增益，使示波器上顯示的接收波信號幅度在 300 400mV 左右（峰 -峰值），以使計時器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值L i 1 、 t i 1 ( 時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出 )；移

12、動 S2 ，記錄下這時的距離值和顯示的時間值L i 、 t i 。則聲速V1 (L i L i 1 ) /( t i t i 1 )。記錄介質(zhì)溫度 t ( C) 。需要說明的是，由于聲波的衰減，移動換能器使測量距離變大（這時時間也變大）時，如果測量時間值出現(xiàn)跳變，則應(yīng)順時針方向微調(diào)“接收放大”旋鈕，以補(bǔ)償信號的衰減；反之測量距離變小時，如果測量時間值出現(xiàn)跳變，則應(yīng)逆時針方向微調(diào)“接收放大”旋鈕，以使計時器能正確計時。 液體介質(zhì)當(dāng)使用液體為介質(zhì)測試聲速時，先小心將金屬測試架從儲液槽中取出，取出時應(yīng)用手指稍稍抵住儲液槽，再向上取出金屬測試架。然后向儲液槽注入液體，直至液面線處，但不要超過液面線。注

13、意：在注入液體時，不能將液體淋在數(shù)顯表頭上，然后將金屬測試架裝回儲液槽。專用信號源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“液體”位置，換能器的連接線接至測試架上的“液體”專用插座上，即可進(jìn)行測試，步驟與1 相同。記錄介質(zhì)溫度t ( C)。 固體介質(zhì)： ( 只適合用時差法測量)測量非金屬（有機(jī)玻璃棒）、金屬（黃銅棒）固體介質(zhì)時，可按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：a. 將專用信號源上的“測試方法”置于“脈沖波”位置，“聲速傳播介質(zhì)”按測試材質(zhì)的不同，置于“非金屬”或“金屬”位置。b. 先拔出發(fā)射換能器尾部的連接插頭，再將待測的測試棒的一端面小螺柱旋入接收換能器中心螺孔內(nèi)，再將另一端面的小螺柱旋入能旋轉(zhuǎn)的發(fā)射換能器上，使固體棒

14、的兩端面與兩換能器的平面可靠、緊密接觸，注意：旋緊時，應(yīng)用力均勻，不要用力過猛，以免損壞螺紋，擰緊程度要求兩只換能器端面與被測棒兩端緊密接觸即可。調(diào)換測試棒時，應(yīng)先拔出發(fā)射換能器尾部的連接插頭，然后旋出發(fā)射換能器的一端，再旋出接收換能器的一端。c. 把發(fā)射換能器尾部的連接插頭插入接線盒的插座中，按圖28. 5(b) 接線，即可開始測量。d. 記錄信號源的時間讀數(shù)，單位為s 。測試棒的長度可用游標(biāo)卡尺測量得到并記錄。e. 用以上方法調(diào)換第二長度及第三長度被測棒，重新測量并記錄數(shù)據(jù)。f. 用逐差法處理數(shù)據(jù)，根據(jù)不同被測棒的長度差和測得的時間差計算出被測棒的聲速?！緮?shù)據(jù)處理】1. 共振平率： 36.

15、9KHz駐波法 - 空氣介質(zhì)編號12345振幅最大點(diǎn)66.7871.3575.9180.6185.21（ mm）67891089.7994.4899.22103.68108.43水介質(zhì)編號12345振幅最大點(diǎn)84.26106.83127.09149.01170.77（mm ）678910193.97216.41230.24239.48247.25李薩如圖法 - 空氣介質(zhì)編號12345圖形重合點(diǎn)62.7872.1181.8390.89100.19（mm ）678910109.76119.13128.38137.51146.31水介質(zhì)編號12345圖形重合點(diǎn)18.9062.499.10141.78

16、184.08（mm ）678910229.06272.08314.08355.08395.432以空氣介質(zhì)為例，計算出共振干涉法和相位法測得的波長平均值，及其標(biāo)準(zhǔn)偏差S ，同時考慮儀器的示值讀數(shù)誤差為0.01mm 。經(jīng)計算可得波長的測量結(jié)果。干涉法空氣介質(zhì)： =2* 【（ 89.79-66.78 ） +（94.48-71.45 ）+（99.22-75.91 ） +（103.68-80.61 ）+（108.43-85.21 ）】 /25=9.26mm52S = （ i - ） / (5 1) 0.05mmi考慮儀器讀數(shù)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，9.26 0.06mm相位法空氣介質(zhì)： =(109.76-62

17、.78)+(119.13-72.11)+(128.38-81.83)+(137.51-90.89)+(146.31-100.19)/25=9.33mm5S =21)0.07mm（ i - ） / (5i考慮儀器讀數(shù)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，9.33 0.08mm3按理論值公式 VSV 0T。，算出理論值 VST0式中 V0331.45m / s 為 T0273.15K時的聲速， Tt273.15 K 。t=15 T15+273.15Vs=VoT=331.45*273.15=340.43m/so4計算出通過二種方法測量的V 以及V 值，其中VV VS。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值比較，計算百分比誤差。分析誤差產(chǎn)生的

18、原因?？蓪憺樵谑覝貫?5C 時，用共振干涉法（相位法）測得超聲波在空氣中的傳播速度為：V=341.701.85m / s=V（駐波法）=0.37%VsV=344.282.58m / s=V =1.1% （相位法）Vs5列表記錄用時差法測量非金屬棒及金屬棒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（1）三根相同材質(zhì)，但不同長度待測棒的長度金屬棒長度（ mm ）時間（ s）聲速（ m/s ）L1167762197.4L2208872390.8L3247992494.9非金屬棒長度 (mm0時間（ s）聲速（ m/s ）L11801081666.7L22201371605.8【思考題】1 聲速測量中共振干涉法、相位法、時差法有何

19、異同？從波源上說，干涉法、相位法用的是連續(xù)波，時差法用的是脈沖波。從測量儀器上說，干涉法、相位法要用示波器、刻尺和頻率計，時差法用的是計時儀器和刻尺。從原理上說，干涉法、相位法原理相同，均是發(fā)射波和返回波形成駐波（在力學(xué)里對應(yīng)的稱共振），測量波腹到波腹之間的距離或駐波相位差為2Pi （兩個波腹到波腹之間的距離）距離來計算波速（波腹到波腹之間的距離為聲波長的1/2, 用波長乘以頻率既得聲速），這種方法的優(yōu)點(diǎn)是通過示波器觀測波形直觀，又可以講解駐波和李薩如圖形，涉及知識點(diǎn)較多，一般學(xué)校都會選擇這兩種方法做測量，缺點(diǎn)是波腹和相位差所對應(yīng)的示波器波形判斷人為因素太大，測量出來的數(shù)據(jù)偏差較大；時差法所用

20、為脈沖波，可人為改變接收器到發(fā)射器的距離，測量脈沖發(fā)射到接收的時間差，用距離改變量除以時間改變量即可，優(yōu)點(diǎn)是人為因素少，測量精度高，缺點(diǎn)（對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說）涉及的內(nèi)容少，操作太簡單。2 為什么要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測量？如何調(diào)節(jié)和判斷測量系統(tǒng)是否處于諧振狀態(tài)？諧振時超聲波的發(fā)射和接收效率均達(dá)到最高；保持其他條件不變，僅僅改變信號發(fā)生器的輸出頻率，觀察接收到得超聲波信號幅度，出現(xiàn)極大值時對應(yīng)的頻率就是諧振頻率。3 為什么發(fā)射換能器的發(fā)射面與接收換能器的接收面要保持互相平行？發(fā)射換能器發(fā)送的能量是垂直發(fā)射面?zhèn)鞑サ模邮軗Q能器接受的能量是垂直接受面接受的。如果不讓兩面的中心垂線對正，你的傳送的能

21、量就有損失。4聲音在不同介質(zhì)中傳播有何區(qū)別？聲速為什么會不同？聲音其實(shí)就是一種振動，在不同介質(zhì)中傳播其實(shí)就是不同介質(zhì)在進(jìn)行這種振動（因?yàn)槁暡▊鲗?dǎo)這里會引起這種介質(zhì)振動）。傳播時聲波頻率不會變，變的是波長，也就是說聲波在不同介質(zhì)中傳播有不同的波長。而聲速是波長和頻率的乘積，所以會有不同的聲速。其中專業(yè)理論知識內(nèi)容包括：保安理論知識、消防業(yè)務(wù)知識、職業(yè)道德、法律常識、保安禮儀、救護(hù)知識。作技能訓(xùn)練內(nèi)容包括：崗位操作指引、勤務(wù)技能、消防技能、軍事技能。二培訓(xùn)的及要求培訓(xùn)目的安全生產(chǎn)目標(biāo)責(zé)任書為了進(jìn)一步落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，做到“責(zé)、權(quán)、利”相結(jié)合，根據(jù)我公司2015 年度安全生產(chǎn)目標(biāo)的內(nèi)容，現(xiàn)與財務(wù)部

22、 簽訂如下安全生產(chǎn)目標(biāo)：一、目標(biāo)值：1 、全年人身死亡事故為零，重傷事故為零，輕傷人數(shù)為零。2 、現(xiàn)金安全保管，不發(fā)生盜竊事故。3 、每月足額提取安全生產(chǎn)費(fèi)用，保障安全生產(chǎn)投入資金的到位。4 、安全培訓(xùn)合格率為 100%。二、本單位安全工作上必須做到以下內(nèi)容：1 、對本單位的安全生產(chǎn)負(fù)直接領(lǐng)導(dǎo)責(zé)任，必須模范遵守公司的各項(xiàng)安全管理制度，不發(fā)布與公司安全管理制度相抵觸的指令，嚴(yán)格履行本人的安全職責(zé)，確保安全責(zé)任制在本單位全面落實(shí)，并全力支持安全工作。2 、保證公司各項(xiàng)安全管理制度和管理辦法在本單位內(nèi)全面實(shí)施，并自覺接受公司安全部門的監(jiān)督和管理。3 、在確保安全的前提下組織生產(chǎn)，始終把安全工作放在首

23、位，當(dāng)“安全與交貨期、質(zhì)量”發(fā)生矛盾時，堅持安全第一的原則。4 、參加生產(chǎn)碰頭會時，首先匯報本單位的安全生產(chǎn)情況和安全問題落實(shí)情況；在安排本單位生產(chǎn)任務(wù)時，必須安排安全工作內(nèi)容，并寫入記錄。5 、在公司及政府的安全檢查中杜絕各類違章現(xiàn)象。6 、組織本部門積極參加安全檢查，做到有檢查、有整改，記錄全。7 、以身作則，不違章指揮、不違章操作。對發(fā)現(xiàn)的各類違章現(xiàn)象負(fù)有查禁的責(zé)任，同時要予以查處。8 、虛心接受員工提出的問題，杜絕不接受或盲目指揮；9、發(fā)生事故，應(yīng)立即報告主管領(lǐng)導(dǎo)，按照“四不放過”的原則召開事故分析會，提出整改措施和對責(zé)任者的處理意見，并填寫事故登記表，嚴(yán)禁隱瞞不報或降低對責(zé)任者的處罰標(biāo)準(zhǔn)。10、必須按規(guī)定對單位員工進(jìn)行培訓(xùn)和新員工上崗教育；11、嚴(yán)格執(zhí)行公司安全生產(chǎn)十六項(xiàng)禁令，保證本單位所有人員不違章作業(yè)。三、安全獎懲：1 、對于全年實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)的按照公司生產(chǎn)現(xiàn)場管理規(guī)定和工作說明書進(jìn)行考核獎勵；對于未實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)的按照公司規(guī)定進(jìn)行處罰。2 、每月接受主管領(lǐng)導(dǎo)指派人員對安全生產(chǎn)責(zé)任狀的落其中專業(yè)理論知識內(nèi)容包括：保安理論知識、消防業(yè)務(wù)知識、職業(yè)道德、法律常識、保安禮儀、救護(hù)知識。作技能訓(xùn)練內(nèi)容包括：崗位操作指引、勤務(wù)技能、消防技能、軍事技能。二培訓(xùn)的及要求培訓(xùn)目的安全生產(chǎn)目標(biāo)責(zé)任書為了進(jìn)一步落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制