聲速測定實驗報告

1、實驗序號：28實驗題目：聲速測定試驗時間：2011彳18實驗室：成績：班級：姓名：學號：指導教師【實驗目的】?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。1 ?學習用共振干涉法、相位比較法和時差法測定超聲波的傳播速度。2 ?通過用時差法對多種介質的測量，了解聲納技術的原理及其重要的實用意義?！緦嶒炘怼吭诓▌舆^程中波速V、波長'和頻率f之間存在著下列關系：V=f?-，實驗中可通過測定聲波的波長'和頻率f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存在下列關系：L=V?t，只要測出L和t就可測出聲波傳播的速度V，這就是時差法測量

2、聲速的原理。1?共振干涉法（駐波法）測量聲速的原理:當二束幅度相同，方向相反的聲波相交時，產生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。對于波束1：R=A?cos（，t-2二?X/?）、波束2:F2二A?cost?2X/?,當它們相交會時，疊加后的波形成波束3:FA=2A*cos2i*cost，這里？，為聲波的角頻率，t為經過的時間，X為經過的距離。由此可見，疊加后的聲波幅度，隨距離按cos2X/'變化。如圖28.1所示。壓電陶瓷換能器S,作為聲波發(fā)射器，它由信號源供給頻率為數千周的交流電信號，由逆壓電效應發(fā)出一平面超聲波；而換能器S2則作為聲波的接收器，正壓電效應將接收到的聲壓轉換成電信號，該信號輸入示波

3、器，我們在示波器上可看到一組由聲壓信號產生的正弦波形。聲源3發(fā)出的聲波，經介質傳播到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（0）嚴格平行，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S2在某些位置時振幅有最小值或最大值。根據波的干涉理論可以知道：任何二相鄰的振幅最'/2。為測量聲'/2。為測量聲大值的位置之間（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器上聲壓振

4、幅值的同時，緩接收到的信號幅度的包絡波%發(fā)射換能器與接收換能器之何的距離圖28.1共振干涉法原理圖慢的改變S,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S至S,之間的距離的改變可通過轉動螺桿的鼓輪來實現(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，我們可運用測量數據計算出聲速，用逐差法處理測量的數據。2. 相位法測量原理聲源S發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場，聲場在介質中任一點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化

5、。設聲源方程為:F=F01?cosbtX距聲源X處S2接收到的振動為：F2=F02?cos,?（t-丫）兩處振動的相位差:當把S,和S2的信號分別輸入到示波器X軸和丫軸，那么當X二n即丄；2n二時，合振動為一斜率為正的直線，當X=：2n1'2即"：,=2nT二時，合振動為一斜率為負的直線，當X為其它值時，合成振動為橢圓（如圖28.2）A=00=ttMb=tt/20=4°=tt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，但存在讀數誤差。較精確測量聲速的方法是采用聲波時差法，

6、時差法在工程中得到了廣泛的應用。它是將經脈沖調制的電信號加到發(fā)射換能器上，聲波在介質中傳播，經過時間t后，到達距離為L處的接收換能器，那么可以用以下公式求出聲波在介質中傳播的速度，速度為V=L/t。圖28.3相位法原理圖【實驗儀器】實驗儀器采用杭州精科儀器有限公司生產的SV6型聲速測量組合儀及SV5型聲速測定專用信號源各一臺，其外形結構見圖28.4。測定專用信號源各一臺，其外形結構見圖28.4。圖28.4SV6型聲速測量組合儀實物照片組合儀主要由儲液槽、傳動機構、數顯標尺、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S

7、i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。上下兩只換能器的相對位移通過傳動機構同步行進，并由數顯表頭顯示位移的距離。S,發(fā)射換能器超聲波的正弦電壓信號由SV5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行時間測量，測得的時間值具有保持功能。300mm游標卡尺一把，用于測量固體棒的長度。實驗時用戶需自備示波器一臺;圖28.5共振干涉法、相位法（上）、時差法（下）測量連線圖【實驗內容】1.聲速測量系統(tǒng)的連接聲速測量時，SV5專用信號源、SV6測試儀、示波器之間，連接方法見圖28.5。2?諧振頻

8、率的調節(jié)根據測量要求初步調節(jié)好示波器。將專用信號源輸出的正弦信號頻率調節(jié)到換能器的諧振頻率，以使換能器發(fā)射出較強的超聲波，能較好地進行聲能與電能的相互轉換，以得到較好的實驗效果，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)射強度”旋鈕，使其輸出電壓在20Vp左右，然后將換能器的接收信號接至示波器，調整信號頻率25kHz45kHz，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（34.5kHz39.5kHz之間，因不同的換能器或介質而異）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器S,、S2相匹配頻率點，記錄此頻率fi。（3）改變S

9、,、S2的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調節(jié)正弦信號頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達到最大值。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置到連續(xù)方式。按前面實驗內容二的方法，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，由數顯尺上直接讀出或在機械刻度上讀出；記下S2位置Xo。然后，向著同方向轉動距離調節(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X!，X,X9共10個點，單次測量的波長人=2?|Xj-Xj。用逐差法處

10、理這十個數據，即可得到波長k。（2）相位比較法（李薩如圖法）測量波長將測試方法設置到連續(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“EXT”外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“CH1”，發(fā)射波接到“CH2”，打到“X-Y”顯示方式，適當調節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉動距離調節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記下S2的位置Xo，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2二相移。依次記下示波器屏上斜率負、正變化的直線出現(xiàn)的對應位置Xi,X2，,X9。單次波長&i=2?|Xi-X。多次測定

11、用逐差法處理數據，即可得到波長'。3）時差法測量聲速 空氣介質測量空氣聲速時，將專用信號源上“聲速傳播介質”置于“空氣”位置,發(fā)射換能器（帶有轉軸）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置到脈沖波方式。將Si和S2之間的距離調到一定距離（50mm）。開啟數顯表頭電源，并置0,再調節(jié)接收增益，使示波器上顯示的接收波信號幅度在300400mV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Lj、（時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出）；移動S2,記錄下這時的距離值和顯示的時間值Vi=（Li-Lj）/（tiLj、ti。貝廬速。記錄介

12、質溫度t（C）o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，則應順時針方向微調“接收放大”旋鈕，以補償信號的衰減；反之測量距離變小時，如果測量時間值出現(xiàn)跳變，貝V應逆時針方向微調“接收放大”旋鈕，以使計時器能正確計時。 液體介質當使用液體為介質測試聲速時，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。注意：在注入液體時，不能將液體淋在數顯表頭上，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”置于“液體”位置，換能器的連接線接至測試架上的

13、“液體”專用插座上，即可進行測試，步驟與1相同。記錄介質溫度t（C）o 固體介質：（只適合用時差法測量）測量非金屬（有機玻璃棒）、金屬（黃銅棒）固體介質時，可按以下步驟進行實驗：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”按測試材質的不同，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，再將另一端面的小螺柱旋入能旋轉的發(fā)射換能器上，使固體棒的兩端面與兩換能器的平面可靠、緊密接觸，注意：旋緊時，應用力均勻，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。調換測試棒時

14、，應先拔出發(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。e. 用以上方法調換第二長度及第三長度被測棒，重新測量并記錄數據。f. 用逐差法處理數據，根據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?！緮祿幚怼?.共振平率：36.9KHZ駐波法-空氣介質編號12345振幅最大點66.7871.3575.9180.6185.21(mm67891089.7994.4899.22103.68108.43水介質編號12345振幅最大點84.26106.83127.09149.01

15、170.77(mm)678910193.97216.41230.24239.48247.25李薩如圖法-空氣介質水介質編號12345圖形重合點62.7872.1181.8390.89100.19(mm)678910109.76119.13128.38137.51146.31編號12345圖形重合點(mm)18.9062.499.10141.78184.08678910229.06272.08314.08355.08395.432?以空氣介質為例，計算出共振干涉法和相位法測得的波長平均值'，及其標準偏差S.,同時考慮儀器的示值讀數誤差為0.01mm。經計算可得波長的測量結果人二&

16、士AZ干涉法空氣介質：'=2*【()+)+)+(103.6880.61)+)】/25=9.26mmS,八(')7(5一1)=0.05S,八(')7(5一1)=0.05mm考慮儀器讀數誤差和標準偏差，'二9.26一0.06mm相位法空氣介質：二(109.76-62.78)+(119.13-72.11)+(128.38-81.83)+(137.51-90.89)+(146.31-100.19)/25=9.33mm0.07mm0.07mm考慮儀器讀數誤差和標準偏差，'=9.33士0.08mm3?按理論值公式VS"°算出理論值Vs式中V0=3

17、31.45m/s為T。=273.15K時的聲速，T=t273.15Kt=15C1J15+273.15=340.43m/sT0'、273.154?計算出通過二種方法測量的V以及V值，其中AV=V-Vs將實驗結果與理論值比較，計算百分比誤差。分析誤差產生的原因?？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:W、?二=0.37%(駐波法)Vs、.二衛(wèi)=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驗數據（1）三根相同材質，但不同長度待測棒的長度金屬棒長度（mm）時間（g）聲速（m/s）L1167762197.4L2208872390.8L3

18、247992494.9非金屬棒長度（mm0時間（g）聲速（m/s）L11801081666.7L22201371605.8【思考題】聲速測量中共振干涉法、相位法、時差法有何異同?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（在力學里對應的稱共振），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，涉及知識點較多，一般學校都會選擇這兩種方法做測量，缺點是波腹和相位差所對應的示波器波形判斷人為因素太大，測量出來的數據偏差較大；時差法所用為脈沖波，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)點是人為因素少，測量精度高，缺點（對于實驗教學來說）涉及的內容少，操作太簡單。1. 為什么要在諧振頻率條件下進行聲速測量？如何調節(jié)和判