超聲波聲速的測(cè)定.ppt

1、超聲波聲速的測(cè)定,南京工程學(xué)院 2009年6月,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度； 2、加深對(duì)波的相位、波的干涉及振動(dòng)合成等理論的理解，學(xué)習(xí)用示波器觀察信號(hào)間的相位差 ； 3、掌握用逐差法處理數(shù)據(jù)的能力； 4、培養(yǎng)綜合應(yīng)用儀器設(shè)備的能力。,二、實(shí)驗(yàn)原理,聲速測(cè)量的常用方法有兩類： 第一類是根據(jù)聲波的傳播速度 與其頻率 和波長(zhǎng) 之間的關(guān)系 ，先測(cè)出頻率 和波長(zhǎng) ，再計(jì)算聲速 。常用方法有相位比較法和駐波法（共振干涉法） ； 第二類是測(cè)量聲波傳播距離 和時(shí)間間隔 ，然后根據(jù)公式 計(jì)算聲速 。常用的方法有時(shí)差法。,1. 相位比較法 相位比較法測(cè)聲速連線圖如圖所示,從S1發(fā)出的正弦波與S

2、2收到的正弦波之間的相位差為 S1與S2之間變化一個(gè)波長(zhǎng)，相位差變化2，示波器上所觀察到的李薩如圖隨之變化一個(gè)周期，測(cè)出波長(zhǎng)，從而可以計(jì)算出波速 。,圖 形,相位差,2. 駐波法（駐波共振法） 駐波法測(cè)聲速示意圖：,沿x方向的入射波和反射波相遇干涉時(shí)，在空間某點(diǎn)的合振動(dòng)方程為: y = y1 + y2=(2Acos2x/)cos2ft， 波腹處振幅最大，波節(jié)處振幅為零，由縱波的性質(zhì)可以知道，當(dāng)接收換能器端面位于振動(dòng)的波節(jié)時(shí)，正好聲壓值最大。移動(dòng)S2，可看到示波器上顯示的聲壓值不斷地由最大變到最小再變到最大，呈周期性變化。二相鄰的振幅最大點(diǎn)之間移動(dòng)過的距離亦為兩相鄰波節(jié)的距離，即,3. 時(shí)差法

3、時(shí)差法測(cè)聲速連線圖如圖所示：,時(shí)差法是將脈沖調(diào)制信號(hào)加到發(fā)射器上，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，可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中的傳播速度,三、實(shí)驗(yàn)儀器,超聲聲速測(cè)定儀、SV5聲速測(cè)量專用信號(hào)源、 YB4328示波器等,超聲聲速測(cè)定儀 聲速測(cè)定儀是由壓電換能系統(tǒng)S1、S2、游標(biāo)卡尺、固定支架等部件組成，儀器裝置如圖3.1.9所示。S1、S2是兩個(gè)壓電陶瓷超聲換能器，S1為發(fā)射換能器，它通過逆壓電效應(yīng)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成以電信號(hào)頻率的機(jī)械振動(dòng)，從而推動(dòng)空氣分子振動(dòng)產(chǎn)生平面聲波；S2為接收換能器，它通過正壓電效應(yīng)把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以接收聲波，其端面也是聲波的反射界面，它們的結(jié)構(gòu)完

4、全相同，有共同的諧振頻率，只有當(dāng)外界輸入信號(hào)的頻率等于其諧振頻率時(shí)，才能產(chǎn)生最佳的機(jī)械振動(dòng)。,壓電陶瓷換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu),壓電陶瓷片,電輸入或輸出端,鋁外殼,四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟,相位比較法 (1) 調(diào)整信號(hào)源的輸出頻率使發(fā)射換能器處于諧振狀態(tài)，調(diào)整發(fā)射換能器的發(fā)射面與接收換能器的接收面保持平行。方法同駐波法。 (2) 按圖連接線路。 (3)沿著相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，改變發(fā)射面與接收面之間的距離，觀察示波器熒光屏上李薩如圖形的變化，依次讀取示波器上顯示相位差圖樣時(shí)接收面的位置（表4-23）。 (4)記下室溫，并用逐差法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算不確定度。,2. 駐波法測(cè)定聲速 (1)按圖接好電路

5、(2) 調(diào)整發(fā)射換能器的發(fā)射面與接收換能器的接收面保持平行。 (3) 調(diào)整超聲信號(hào)源的輸出信號(hào)頻率，觀察示波器y軸信號(hào)的振幅，使振幅達(dá)到最大。此時(shí)表示發(fā)射換能器處于諧振狀態(tài)。 (4) 沿著同方向轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，使發(fā)射面和接收面之間的距離逐漸增加，可觀察到示波器中y軸振幅的大小會(huì)有周期性變化，依次記錄示波器電壓值幅值最大時(shí)，接受器S2的位置即為駐波的波節(jié)位置。 (5)記下連續(xù)10次出現(xiàn)幅度最大時(shí)接受器S2的位置，用逐差法處理數(shù)據(jù)，計(jì)算不確定度。,3.時(shí)差法（選做） （1）將測(cè)試方法設(shè)置到脈沖波方式。 （2）將S1和S2之間的距離調(diào)到 。 （3）再調(diào)節(jié)接收增益，使示波器上顯示的接收波信號(hào)幅度在300400mV左右（峰峰值），以使計(jì)時(shí)器工作在最佳狀態(tài)，然后記錄此時(shí)S2的讀數(shù)。 （4）沿著相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，改變發(fā)射面與接收面之間的距離，同時(shí)調(diào)節(jié)接收增益使接收波信號(hào)幅度始終保持一致。每隔10s左右記錄下S2的讀數(shù)。 （5）記下室溫，并用逐差法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。,五、注意事項(xiàng),1. 確保換能器S1和S2端面的平行。 2測(cè)量時(shí)必須沿同一方向輕而緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)位置調(diào)節(jié)鼓輪以避免空程誤差，會(huì)讀取鼓輪讀數(shù)。 3注意保護(hù)儀器，鼓