駐波法測量聲速

1、駐波法測量聲速聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機械波，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波；頻率在20Hz-20KHz的聲波可以被人聽到，稱為可聞聲波；頻率在20KHz以上的聲波稱為超聲波。超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)因素有關(guān)。因而通過媒質(zhì)中聲速的測定，可以了解媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化。聲速測定在工業(yè)生產(chǎn)上具有一定的實用意義。實驗內(nèi)容1、用駐波法測定空氣中的聲速。2、用李薩茹圖形的變化，觀測位相差。3、了解時差法測定超聲波的傳播速度。、實驗儀器SVX-5型聲速測試儀信號源SV-DH系列聲速測試儀實驗裝置三、預(yù)備知識介紹1 .聲波頻率介于20Hz20kHz的機械波振動在彈性介質(zhì)中的傳播就形成聲

2、波，介于20kHz500MHz勺稱為超聲波，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射和會聚等優(yōu)點，聲速實驗所采用的聲波頻率一般都在20KH-60kHz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。2 .壓電陶瓷換能器壓電陶瓷換能器是由壓電陶瓷片和輕重兩種金屬組成。壓電陶瓷片是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、皓鈦酸鉛陶瓷等），在一定溫度下經(jīng)極化處理制成的。它具有壓電效應(yīng)，即受到與極化方向一致的應(yīng)力T時，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場強度E且具有線卜t關(guān)系：EgT,即力一電，稱為正壓電效應(yīng)；當(dāng)與極化方向一致的外加電壓U加在壓電材料上時，材料的

3、伸縮形變S與U之間有簡單的線性關(guān)系：SdU,即電一力，稱為逆壓電效應(yīng)。其中g(shù)為比例系數(shù)，d為壓電常數(shù)，與材料的性質(zhì)有關(guān)。由于E與T,S與U之間有簡單的線性關(guān)系，因此我們就可以將正弦交流電信號變成壓電材料縱向的長度伸縮，使壓電陶瓷片成為超聲波的波源。即壓電換能器可以把電能轉(zhuǎn)換為聲能作為超聲波發(fā)生器，反過來也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，即用壓電陶瓷片作為聲頻信號接收器。因此，壓電換能器可以把電能轉(zhuǎn)換為聲能作為聲波發(fā)生器，也可把聲能轉(zhuǎn)換為電能作為聲波接收器之用。壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，可分為縱向（振動）換能器、徑向（振動）后蓋反射板壓電陶瓷片輻射頭圖1縱向換能器的結(jié)構(gòu)換能器及彎曲振動換能器

4、。圖1所示為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖四、實驗原理根據(jù)聲波各參量之間的關(guān)系可知f,其中為波速，入為波長，f為頻率。在實驗中，可以通過測定聲波的波長入和頻率f求聲速。聲波的頻率f可以直接從低頻信號發(fā)生器（信號源）上讀出，而聲波的波長人則常用共振干涉法（駐波法）和相位比較法（行波法）來測量。圖2實驗裝置1.共振干涉（駐波）法測聲速實驗裝置接線仍如圖2所示，使S1發(fā)出一平面波。S2作為超聲波接收頭，把接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成交變的正弦電壓信號后輸入示波器觀察，示波器置掃描方式。S2在接收超聲波的同時還反射一部分超聲波。這樣，由S1發(fā)出的超聲波和由S2反射的超聲波在S1和S2之間產(chǎn)生定域干涉。當(dāng)S1和S2之間的距

5、離L恰好等于半波長的整數(shù)倍時，即k=0,1,2,3形成駐波共振。任意兩個相鄰的共振態(tài)之間，S2的位移為,LLk1Lk（k1）2k22所以當(dāng)S1和S2之間的距離L連續(xù)改變時，示波器上的信號幅度每一次周期性變化，相當(dāng)于S1和S2之間的距離改變了-。此距離金可由讀數(shù)標(biāo)尺測得，頻率f由信號發(fā)生器讀得，由f即可求得聲速。2.相位比較法實驗裝置接線如圖2所示，置示波器功能于XY方式。當(dāng)S1發(fā)出的平面超聲波通過媒質(zhì)到達(dá)接收器S2,合成振動方程為：22xy2xy2/2.2COS(21)sin(21)AiA2AA2在發(fā)射波和接收波之間產(chǎn)生相位差:見圖3,隨著振動的相位差從0的變化，李薩如圖形從斜率為正的直線變?yōu)?/p>

6、橢圓，再變到斜率為負(fù)的直線。因此，每移動半個波長，就會重復(fù)出現(xiàn)斜率符號相反的直線，測得了波長和頻率f,根據(jù)式f即可計算出聲音傳播的速度。0(a)3424(b)(c)(d)(e)圖3合成振動改變S1和S2之間的距離L,相當(dāng)于改變了發(fā)射波和接收波之間的相位差，熒光屏上的圖形也隨L不斷變化。顯然，當(dāng)S1、S2之間距離改變半個波長L/2,則=。五、實驗步驟1 .聲速測試儀系統(tǒng)的連接與調(diào)試接通電源，信號源自動工作在連續(xù)波方式，選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)，預(yù)熱15min。聲速測試儀和聲速測試儀信號源及雙蹤示波器之間的連接如圖2所示。1)測試架上的換能器與聲速測試儀信號源之間的連接信號源面板上的發(fā)射端換能器

7、接口(S1),用于輸出相應(yīng)頻率的功率信號，接至測試架左邊的發(fā)射換能器(S1);儀器面板上的接收端的換能器接口(S2),請連接測試架右邊的接收換能器（S2）o2）示波器與聲速測試儀信號源之間的連接信號源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形（Y1）,接至雙蹤示波器的CH1（X）,用于觀察發(fā)射波形；信號源面板上的接收端的接收波形（Y2）,接至雙蹤示波器的CH2（Y）,用于觀察接收波形。2 .共振頻率的調(diào)試測量（詳細(xì)操作見實驗室的說明書）只有當(dāng)換能器S1和S2發(fā)射面與接收面保持平行時才有較好的接收效果；為了得到較清晰的接收波形，應(yīng)將外加的驅(qū)動信號頻率調(diào)節(jié)到發(fā)射換能器S1諧振頻率點處，才能較好地進行聲能與電能的相互

8、轉(zhuǎn)換，提高測量精度，以得到較好的實驗效果。超聲換能器工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)方法如下：各儀器都正常工作以后，首先調(diào)節(jié)聲速測試儀信號源輸出電壓（100mV500md間），調(diào)節(jié)信號頻率（在2545kHz）,觀察頻率調(diào)整時接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（34.537.5kHz之間）電壓幅度最大，同時聲速測試儀信號源的信號指示燈亮，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配的頻率點，記錄頻率vi,改變S1和S2之間的距離，適當(dāng)選擇位置（即：至示波器屏上呈現(xiàn)出最大電壓波形幅度時的位置），再微調(diào)信號頻率，如此重復(fù)調(diào)整，再次測定工作頻率，共測5次，取平均值一。3 .干涉法（駐波法）測量波長（詳細(xì)操作見實驗室的說明書）

9、1）按圖2所示連接好電路；2） 將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，把聲速測試儀信號源調(diào)到共振工作頻率（根據(jù)共振特點觀察波幅變化進行調(diào)節(jié)）。3） 在共振頻率下，將S2移近S1處，依次記下各振幅最大時的讀數(shù)標(biāo)尺位置L1、L2共10個值；4） 記下室溫t;5） 用逐差法處理數(shù)據(jù)。4.用相位比較法（李薩如圖形）測量波長（詳細(xì)操作見實驗室的說明書）1）將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，連好線路，把聲速測試儀信號源調(diào)到最佳工作頻率f。2）調(diào)節(jié)示波器：把“掃描時間”旋扭旋至“X-Y”方式；3）移動S2,依次記下示波器上波形由圖3中（a）變?yōu)閳D3中（e）時，讀數(shù)標(biāo)尺位置的讀數(shù)Li、L2共10個值；4）記下室溫t;5）用逐

10、差法處理數(shù)據(jù)。六、注意事項：1）換能器發(fā)射端與接收端間距一般要在5cm以上測量數(shù)據(jù)，距離近時可把信號源面板上的發(fā)射強度減小，隨著距離的增大可適當(dāng)增大；2）示波器上圖形失真時可適當(dāng)減小發(fā)射強度；3）測試最佳工作頻率時，應(yīng)把接收端放在不同位置處測量5次，取平均值。七、數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理：1 .駐波法t=0cVo331.45m/sf=波幅:11l2l3l4l5li(mm)波幅:l6l7l8l9l10li+5(mm)lili5li(mm)-liltl2f0V0.155273.15100%2 .用相位比較法t=0CVo331.45m/sf=波形由圖3(a)變?yōu)閳D3(e)時，讀數(shù)標(biāo)尺位置讀數(shù)li(mm)1

11、1l2l3l4l5波形由圖3中(a)變?yōu)閳D3中(e)時，讀數(shù)標(biāo)尺位置讀數(shù)li+5(mm)l6l7l8l9l10lili5li（mm）0E100%03 .試比較用駐波法和相位比較法測得聲速的結(jié)果，并做相應(yīng)的討論八、思考題：1)本實驗中的超聲波是如何獲得的？提示：利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)原理將高頻率的電信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號。將正弦交流電信號變成壓電材料縱向的長度伸縮變化，從而產(chǎn)生縱向的機械振動,從而產(chǎn)生超聲波。2)超聲波信號能否直接用示波器觀測，怎樣實現(xiàn)？提示：不能。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號發(fā)射，再利用其正壓電效應(yīng)將聲壓轉(zhuǎn)換成電電壓的變化用于示波器觀測。3)用駐波共振法測量超聲波聲速，如何測量其頻率？波長又如何測量？提示：波長：調(diào)整接收端和發(fā)射端的距離，使之為半波長的整數(shù)倍，發(fā)射信號與信號相遇產(chǎn)生駐波，據(jù)此測量相鄰兩波幅之間的距離計算得到。頻率：調(diào)整發(fā)射信號的頻率，觀察振幅，使之最大，由此判斷發(fā)射信號與換能器產(chǎn)生共振，