聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

聲速測(cè)量試驗(yàn)報(bào)告【試驗(yàn)?zāi)康摹繉W(xué)會(huì)測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度的方法。理解駐波和振動(dòng)合成理論。學(xué)會(huì)用逐差法進(jìn)展數(shù)據(jù)處理。了解壓電換能器的功能和培育綜合使用儀器的力氣?！驹囼?yàn)儀器】信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、聲速測(cè)定儀?！驹囼?yàn)原理】聲波的傳播速度vf和波長(zhǎng)的關(guān)系為：可見(jiàn)，只要測(cè)出聲波的頻率ff可由聲源的振動(dòng)頻率得到，因此，試驗(yàn)的關(guān)鍵就是如何測(cè)定聲波波長(zhǎng)。駐波法〔共振干預(yù)法〕如右圖所示，試驗(yàn)時(shí)將信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦電壓信號(hào)接到放射超聲換能器上，超聲放射換能器通過(guò)電聲轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)變?yōu)槌暡ǎ猿暡ㄐ问椒派涑鋈?。接收換能器通過(guò)聲電轉(zhuǎn)換，將聲波信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，送入示波器觀看。由聲波傳播理論可知，從放射換能器發(fā)出確定頻率的平面聲波，經(jīng)過(guò)空氣傳播，到達(dá)接收換能器。假設(shè)接收面和放射面嚴(yán)格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波與反射波相互干預(yù)形成駐波。此時(shí)，兩換能器之間的距離恰好等于其聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。在聲駐波中，波腹處聲壓〔空氣中由于聲擾動(dòng)而引起的超出靜態(tài)大氣壓強(qiáng)的那局部壓強(qiáng)〕最小，而波節(jié)處聲壓最大。當(dāng)接收換能器的反射界面處為波節(jié)時(shí)，聲壓效應(yīng)最大，經(jīng)接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后從示波器上觀看到的電壓信號(hào)幅值也是極大值，所以可從接收換能器端面聲壓的變化來(lái)推斷超聲波駐波是否形成。移動(dòng)卡尺游標(biāo)，轉(zhuǎn)變兩只換能器端面的距離，在一系列特定的距離上，媒質(zhì)中將消滅穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象，此時(shí)，兩換能器間的距離等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，只要我們監(jiān)測(cè)接收換能器輸出電壓幅度的變化，記錄下相鄰兩次消滅最大電壓數(shù)值時(shí)〔即接收器位于波節(jié)處〕卡尺的讀數(shù)〔兩讀數(shù)之差確實(shí)定值等于半波長(zhǎng)，則依據(jù)公式：vf其中超聲波的頻率可由信號(hào)發(fā)生器直接讀得。相位比較法試驗(yàn)接線如以以下圖所示。波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說(shuō)是位相的傳播。在聲波傳播方向上，全部質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位相逐一落后，各點(diǎn)的振動(dòng)位相又隨時(shí)間變化。聲波波源和接收點(diǎn)存在著位相差，而這位相差則可以通過(guò)比較接收換能器輸出的電信號(hào)與放射換能器輸入的正弦交變電壓信號(hào)的位相關(guān)系中得出，并可利用示波器的李薩如圖形來(lái)觀看。位相差和角頻率、傳播時(shí)間t之間有如下關(guān)系：t2，tlvt v〔Tlv代入上式得：

2l當(dāng)ln2 〔n=1，2，3，...〕時(shí)，可得n。由上式可知：當(dāng)接收點(diǎn)和波源的距離變化等于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，則接收點(diǎn)和波源的位相差也正好變化一個(gè)周期〔即Ф=2π。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)變放射器與接收器之間的距離，觀看到相位的變化。當(dāng)相位差轉(zhuǎn)變?chǔ)衛(wèi)出波速。超聲波的放射與接收——壓電陶瓷換能器聲速測(cè)定儀如以以下圖所示，在支架和絲杠上相向安置兩個(gè)固有頻率一樣的壓電陶瓷換能器，左端支架上固定的是放射換能器，右端可移動(dòng)底座安裝的是接收換能器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)帶刻度手輪及借助螺旋測(cè)微裝置，就可周密地調(diào)整并測(cè)出兩換能器之間的距離。以以下圖中兩換能器的核心元件〔壓電片〕都是由壓電材料〔如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷等〕做成，壓電材料具有正壓電效應(yīng)〔在應(yīng)力作用下兩極產(chǎn)生異號(hào)電荷，兩極間產(chǎn)生電位差〔壓電材料兩端間加上外加電壓時(shí)能產(chǎn)生應(yīng)變上述可逆效應(yīng)將壓電材料制成的壓電換能器可以實(shí)現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)左邊壓電換能器S1S2為聲波接收器?！驹囼?yàn)內(nèi)容】用駐波法〔共振法〕測(cè)聲速：按圖連接裝置，將信號(hào)源調(diào)至壓電陶瓷換能器的固有頻率，示波器疊加方式用“Y2”，內(nèi)觸發(fā)電源亦選“Y2”或“Y1/Y2”，連續(xù)轉(zhuǎn)變接收器位置，觀看聲壓變化與接收器位置的關(guān)系，由此測(cè)定超聲波波長(zhǎng)。用相位比較法〔李薩如圖形法〕測(cè)聲速：按圖連接儀器裝置，示波器疊加方式用“交替”或“斷續(xù)”，內(nèi)觸發(fā)電源選“Y2”，按下示波器的“X-Y”鍵，轉(zhuǎn)變接收器位置，通過(guò)李薩如圖形測(cè)定超聲波波長(zhǎng)?！緮?shù)據(jù)處理 】駐波法〔共振干預(yù)法〕數(shù)據(jù)表1 f＝37.022KHz1234567891011121314151617181920工程2428333842475257626671768085899499104109113.0.6.2.9.6.3.1.8.5.2.9.8.4.1.7.6.2.84.14.792796687341755262682871737298026548232逐差X－XX－XX－XX－XX－XX－XX－XX－XX－XX－X11 112 213 314 415 516 617 718 819 920 10(10x)47.94448.17747.20446.22547.06147.29047.12346.98046.57547.5649.58889.63549.44089.24509.41229.45809.42469.39609.31509.5128的平S〔mm〕2XS〔mm〕2XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX9.44286均值ni1ni1()2in1

0.36887mm為儀器誤差取＝0.001mm；1.22469(S)21.22469(S)2()2

0.36887mmfB類不確定度0.001kHzUfV的不確定度*U2(lnVf)*U2f2V

*V

0.001526*349.594.328m/s0.001526V結(jié)果： VVU 349.594.328m/sV相位比較法數(shù)據(jù)表2 f＝37.022KHz12345678910111213141516171819208595105114123133141151161170179189198208217226236245254265.1.3.86.26.54.95.37.72.06.52.71.05.48.89.31.52.01.34.64.135359918971944243202107S〔mm〕2XS〔mm〕2XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX工程逐差X－XX－XX－XX－X13 3 14 4X－X15X－XX－XX－XX－XX－X11112251661771881992010〔10x〕94.56193.36392.61594.63293.76492.56193.63593.62093.57194.6139.45619.33639.26159.46329.37649.25619.36359.36209.35719.4613的平9.36935均值ni1ni1()2in1

0.075mm為儀器誤差?。?.001mm；0.05069(S)20.05069(S)2()2

0.075mm儀 對(duì)于頻率f，只有B類不確定度 儀 的不確定度*U2(lnV*U2(lnVf)*U2f2V V結(jié)果： VVU 346.872.775m/sV【相關(guān)學(xué)問(wèn)】機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播稱為機(jī)械波。聲波就是這種機(jī)械波。人耳能聽(tīng)20Hz20kHz20Hz20kHz聲波在介質(zhì)中傳播速度取決于介質(zhì)的性質(zhì)，可利用聲速的測(cè)量來(lái)爭(zhēng)論介質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)的變化。而實(shí)際測(cè)量中并不是全部頻率的聲波都可測(cè)量。次聲波頻率低，波長(zhǎng)大，難以測(cè)量；可聽(tīng)見(jiàn)波干擾大。只有超聲波適于測(cè)量，20kHz【留意事項(xiàng)】正確使用信號(hào)發(fā)生器及示波器；試驗(yàn)時(shí)一般將信號(hào)源輸出調(diào)至峰-峰值V 5VPP用聲速測(cè)量?jī)x測(cè)定波長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)留意單方向〔一般是超聲波的傳播方向〕移動(dòng)接收器，否則將會(huì)產(chǎn)生螺距間隙差。3．留意恰中選擇示波器的“掃描速度調(diào)整〔SEC/DIV〕”及“電壓調(diào)整