实验八 声速的测定 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波，频率在20-20KHZ之间 的声波叫可听声波。低于20HZ的声波叫次声波。频率高于20KHZ 叫超声波。因超声波具有方向性好，穿透本领大，在液体、固体 中传播时，衰减很小等特性。因此，对气体、液体的浓度，固体 材料弹性模量、气体温度瞬间变化进行分析和测定有着广泛的应 用价值。本实验仪器主要测量超声波在空气中传播速度 [实验目的] 1、了解超声波的产生和接收原理，测量声波在空气、 固体、液体中的传播速度。 2、加深对相应的概念和波的干涉，振动合成原理的解 释
[仪器介绍] ❖ SV-DH声速测试仪为测量空气、液体、固体中声波传播速度 的专用仪器，是振动与波、压电陶瓷应用、示波器应用和声 纳技术应用的一个好实验。 ❖ 1、SV-DH声速测试仪是由声速测试仪和声速测试仪信号源 二个部分组成，声速测试仪如图1所示。SV-DH声速测试仪 中,配对压电陶瓷换能器：谐振频率,35.3kHz；可承受的连续 电功率不小于15W。两换能器之间测试距离：50～ 280mm(支架式)
２．CHH型综合声速测试仪信号源 功率信号源：频率范围：25kHz～45kHz；最大输出电压：18VP-P 最大输出功率：5W；频率显示：5位LED数字显示；脉冲调制信号源信 号频率：36.5kHz；脉冲宽度：200μs；脉冲周期：8ms；计数定时器： 计数定时范围：1μs～1s；分辨率：1μs；空气和液体切换测量。 3、压电陶瓷换能器 超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易 于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20-60kHz 之间。在此频率范围，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收 器效果最佳。压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动） 换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所 用的大多数采用纵向换能器。 图２纵向换能器的结构简图
示波器示意图
[原理] 声波的传播速度ν与声波频率和波长 的关系为： . （1） 因此，在实验中测出声速的频率和波长，即可求出声速。式中声源的频率就是 低频信号发生器的输出频率。而声速的波长常用共振干涉法（驻波法）、相位比较 法（行波法）和时差法来测量。 = 一 、 共振干涉法（驻波法）测量声速 SV-DH声速测试仪如图1所示，S1作为声波发射器它由信号源供给频率为 数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的 接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，经过信号处理后，输入 示波器。我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在 接收声波的同时还能反射一部分超声波，接受的声波和发射的声波振幅虽有 差异，但二者周期相同，且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1与S2区内 产生了波的干涉，形成驻波。 波束1（S1端发射）： ，沿ｘ正向向右传播，波束２ （S2端发射）： ,当它们相交会时，叠加后的 波形为波束３： 这里ω为声波的角频率，ｔ为经过的时间，x为两 换能器之间的距离。 y1 = Acos(t − 2x / y2 = Acos(t + 2x / y 2Acos(2x / )cost 3 =
当 ，或 时，在 ，k=1,2,3.（1）位置上， 声振幅最大称波腹。当 , , 在k=1,2,3.， 声振幅为零称波节。两相邻波腹（波节）间的距离均为 ，如图3所示。 cos 2 = 1 x k x 2 = 2 x = k cos 2 = 0 x 2 2 2 1 =（ k − ） x 4 2 1 x =（ k − ） 2 二、 相位比较法 声波在传播过程中，相位会产生变化。即对于： 波束, 设声源发生器Ｓ１发出的发射波和接收器Ｓ2接收的波之间产生的相位差为 .（3） 信号发生器输出的信号y2直接接入示波器的x轴上，即， 这两个信号频率相同，且相互垂直，当相差变化时，在示波器中进行合成，形 成如下李萨如图形，如图4所示。 X = 2 − 1 = 2 cos( 2 / ) y1 = A t − x cos( 2 / ) x1 = A t − x
三．时差法测量原理 经脉冲调制后，声波在介质中传播，经 过ｔ时间后，到达Ｌ距离处的接收换能 器。所以可以用以下公式求出声波在介 质中传播的速度。如图5 速度Ｖ＝距离Ｌ/时间ｔ 实际应用公式 t L v =
[实验内容] 一、实验仪器的准备与调试 １．声速测试仪系统的连接与试运行。在通电后，自动工作在连续波方式，选择 的介质为空气的初始状态，预热15min。 ２．连接装配（如图６所示）。 ３．测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点 超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节声速测 试仪信号源输出电压（10-15V之间），调整信号频率（在25-45kHz），观察频率调 整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5kHz—37.5kHz之间）电压幅度 最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹 配频率点，记录频率fN ,改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重复调整，再次测定 工作频率，共测５次，取平均频率
二．共振干涉法（驻波法）测量波长 将测试方法设置到连续波方式。设定最佳工作频率，观察示波器，找到接收波 形的最大值。然后，转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化,记录幅度为 最大时的数显尺的数值Li ，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，当接 收波经变小后再到最大时，记录此时的距离Li+1，即波长 ，多次 测定用逐差法处理数据。 2 | | i = Li+1 − Li 三．相位比较法（李萨如图法）测量波长 将测试方法设置到连续波方式。设定最佳工作频率，观察示波器，转动距离调节 鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记录下此时的距离Ｌi-1,距离由数显尺上直接 读出，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形又回到前面 所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器S2的振动波形发生了２π相移，记录 此时的距离Li。即波长 i =| Li − Li−1 | ，多次测定用逐差法处理数据
五、时差法测量声速将测试方法设置到脉冲波方式。将S1和S2之间的 距离调到一定距离（≥50mm）。再调节接收增益，使示波器上显示的接 收波信号幅度在300～400mV左右（峰－峰值），使定时器工作在最佳状 态。然后记录此时的距离值和显示的时间值Li-1、t i-1。移动S2，同时调节 接收增益使接收波信号幅度始终保持一致。记录下这时的距离值和显示 的时间值Li、t i。则声速：Vi =(Li -Li-1 )/(ti -t i-1 )。 四．相位法/干涉法的声速计算 已知波长λi和平均频率i，则声速Vi=λi × i。因声速还与介质温度 有关，故请记下介质温度ｔ℃