空气-液体介质的声速测量 (SV4型声速测定仪) 实 验 讲 义 杭州精科仪器有限公司
空气、液体介质的声速测量 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，颜率低于20Hz的声波称为次声波：频率在 20Hz~20kHz的声波可以被人听到，称为可闻声波：频率在20kHz以上的声波称为超 声波 超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测 定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气（气体）、蔗糖（溶液）的浓度、 氯1橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面，等等，这些问题都可以通过测定这 些物质中的声速米解决。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。同时，通过 液体中声速的测量，了解水下声纳技术应用的基本概念 【实验目的】 1,了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解 2,学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。 3.通过用时差法对不同介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。 【实验原理】 在波动过程中波速V、波长入和频率f之间存在着下列关系：V=f,入，实验中可 通过测定声波的波长入和频率f米求得声速V。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 声波传播的距离L与传播的时间t存在下列关系：L=V·t,只要测出L和t就可 测出声波传播的速度V,这就是时差法测量声速的原理。 1.共振干涉法（驻波法）测量声速的原理： 当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。对于波束1： E=A·cos(ot-2π·X/久)、波束2：E,=A·c0s(ot+2π·X/入)，当它们相交会时 登加后的波形成波束3：F=2A·cos(2π·X/久)·cos0t,这里0为声波的角频率，t1为 经过的时间，X为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按c0s(2π●X/入) 变化。如图1所示。压电陶瓷换能器S,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：而换能器S,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，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由 接收到的信号幅度的包络波 图1 发射换器与接收换能器之间的距离 声压信号产生的正弦波形。声源S,发出的声波，经介质传播到S,在接收声波信号的同 时反射部分声波信号，如果接收面(S,)与发射面(S,)严格平行，入射波即在接收面
上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个 相干波合成后在声波接收器S,处的振动情况。移动S,位置（即改变S,与S,之间的距离）， 你从示波器显示上会发现当S,在某些位置时振幅有最小值或最大值.根据波的干涉理论可 以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距 离均为入/2。为测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的 改变S,和S,之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到 最大，二相邻的振幅最大之间S,移动过的距离亦为入/2，超声换能器S,至S,之间的距离 的改变可通过转动螺杆的鼓轮米实现，而超声波的频率又可由声波测试仪信号源频率显示 窗口直按读出。在连续多次测量相隔半波长的S,的位置变化及声波频率f以后，我们可运 用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。 2.相位法测量原理： 声源S,发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而 变化的。但它和声源的振动相位差△中不随时间变化。 0=元4 0=π/2 =3π4 图2接收信号与发射信号形成李萨如图 设声源方程为： E=Fo1·cos@t 距声潭X处S,按牧到的振动为：5=Ea·60s6-为 两处振动的相位差： A0=0 X 当把S,和S,的信号分别输入到示波器X轴和Y轴，那么当X=n·入即△Φ=2n元 时，合振动为一斜率为正的直线，当X=(2n+1./2,即△Φ=(2n+1π时，合振动为 一斜率为负的直线，当X为其它值时，合成振动为椭圆（如图2）。 3。时差法测量原理： 2
以上二种方法测声速，都是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波间的相位差，原 理是正确，但存在读数误差，较精确测量声速是用时声波差法，时差法在工程中得到了广 泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过1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。 速度V=L/t。 发射换能器波形 接收换衡器波形 7鼎一 图3用时差法测量声速的波形图 【实验仪器】 实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的SV4型声速测定仪及SV5型声速测定专 用信号源各一台。其外形结构见图4。SV4型声速测量组合仪适用于空气、液体介质声速 测定使用： 图4SV4型声速测定仪实物照片 组合仪主要由储液槽、传动机构、数显标尺、压电换能器等组成。压电换能器供测量 气体和液体声速用。作为发射超声波用的换能器S,固定在储液槽的左边，另一只接收超 声波用的接收换能器S,装在可移动滑块上。通过传动机构进行位移，并由数显表头显示位 移的距离、 S,发时换能器超声波的正弦电压信号由SV5声速测定专用信号源供给，换能器S,把 按收到的超声波声压转换成电压信号，用示波器观察：时差法测量时则还要接到专用信号 源进行时间测量，测得的时间值具有保持功能。 3
【实验内容】 一，声速测量系统的连接 声速测量时：专用信号源、SV4型声速测定仪、示波器之间，连接方法见图5一1、 -2。 0000:ma巴n 图5一1共振法、相位法测量声速线路连接 000a=mas口 不了6eeO 图5一2时差法测量声速线路连接 二。诺振频率的调节 根据测量要求初步调节好示波器。将专用信号源输出的正弦信号频率调节到换能器的 谐振频率，以使换能器发射出较强的超声波，能较好地进行声能与电能的相互转换，以得 到较好的实验效果，方法如下： 1.将专用信号源的发射波形”端接至示波器，调节示波器，能清楚地观察到同步的正弦 波信号：
2.专用信号源的上“发射强度”旋钮，使其输出电压在20V。p左右，然后将换能器的接 收信号接至示波器，调整信号频率(25kHz~45kHZ),观察接收波的电压幅度变化，在某 一领率点处(34.5kz~39.5kHz之间，因不同的换能器或介质而异)电压幅度最大，此 频率即是压电换能器S,、S,相匹配频率点，记录此频率￡。 3.改变S,、S,的距离，使示波器的正弦波振幅最大，再次调节正弦信号频率，直至示 波器显示的止弦波振幅达到最大值。共测5次取平均频率f。 三.共振干沙法、相位法、时差法测量声速的步骤： 1.共报干涉法（驻波法）测量波长： 在专用信号源上将测试方法设置到“连续波”方式。按前面实验内容二的方法，确定 最佳工作频率。观察示波器，找到接收波形的最大值，记录幅度为最大时的距离，由数显 尺上直接读出或在机械刻度上读出：记下S,位置X。。然后，向着同方向转动距离调节 鼓轮，这时波形的幅度会发生变化（同时在示波器上可以观察到来自接收换能器的振动曲 线被形发生相移)，逐个记下振幅最大的X,X2,…X,共10个点，单次测量的波长 入-2·X一X-。用逐差法处理这十个数据，即可得到波长入。 2.相位比较法（李萨如图法）测量波长： 在专州信号源上将测试方法设置到“连续波”方式。确定最佳工作频率，单踪示波器 接收波接到“Y”,发射波接到“EXT”外触发端：双踪示波器接收波接到“CH1”,发 射波接到“CH2”,打到“X-Y”显示方式，适当调节示波器，出现李萨如图形。转 动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记下S,的位置X。,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S,的振动波形发生了2π相移。依次记下示波器屏上斜率负、正变化的直线出 现的对应位置X,X2,…X,。单次波长入，=2X,-X。多次测定用逐差法处理 数据，即可得到波长入。 3.干沙法、相位法的声速计算 已知波长入和平均频率f(频率由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出)，则声速 V=f.x 由于声速还与介质温度有关，故请记下介质温度t(C)。 4.时差法测量声速： ()空气介质： )测量空气声速时，将专用信号源上“声速传播介质”置于“空气”位置。将测试方 法设置到“脉冲波”方式。 b)将S,和S,之间的距离调到一定距离（≥50mm)。开启数显表头电源，并置0， 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-蜂值）， 以使计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L以、【（时间由 声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)：移动S2,记录下这时的距离值和显示的时间 5
值L,、t则声速V1=L-L)-t) c)记录传插介质温度t(C) d)需要说明的是，由于声波的衰减，移动换能器使测量距离变大（这时时间也变大） 时，如果测量时间值出现跳变，则应顺时针方向微调“接收放大”旋钮，以补偿信号的衰 减；反之测量距离变小时，如果测量时间值出现跳变，则应逆时针方向微调“接收放大” 旋钮，以使计时器能正确计时。 (②液体介质： )当使用液体为介质测试声速时，先小心将金属测试架从储液槽中取出，取出时应 用手指稍稍抵住储液槽，再向上取出金属测试架。然后向储液槽注入液体，直至“液面线” 处，但不要超过液面线。注意：在注入液体时，不能将液体淋在数显表头上，然后将金属 测试架装回储液槽。 b)专用信号源上“声速传播介质”置于“液体”位置，换能器的连接线接至测试架 上的“液体”专用插座上，即可进行测试，步骤与1相同。记下介质温度1C 【数据处理】 1,自拟表格记录所有的实验数据，表格要便于用逐差法求相应位置的差值和计算入 2.以空气介质为例，计算出共振干涉法和相位法测得的波长平均值入，及其标准偏差S, 同时考虑仪器的示值读数误差为0.0lmm。经计算可得波长的测量结果入=入土△入。 3.按理论值公式V=V。· T ,算出理论值V。: 式中V。=331.45m/s为T。=273.15K时的声速，T=(t+273.15)K 4.计算出通过二种方法测量的V以及△V值，其中△V=V-V、· 将实验结果与理论值比较，计算百分比误差。分析误差产生的原因。可写为在室温 为 ℃时，用共振干涉法（相位法）测得超声波在空气中的传播速度为 V= % 【思考题】 1.声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？ 2,为什么要在谐振频率条件下进行声速测量？如何调节和判断测量系统是否处于谐振状态？ 3.为什么发射换能器的发射面与接收换能器的接收面要保持互相平行？ 4.声音在不同介质中传播有何区别？声速为什么会不同？
【附录一】 超声波的发射与接收一压电换能器 压电陶瓷超声换能器能实现声压和电压之间的转换。压电换能器做波源具有平面性 单色性好以及方向性强的特点。同时，由于 频率在超声范围内，一般的音频对它没有干 正、负电极片 扰。颜率提高，波长入就短，在不长的距离 中可测到许多个入，取其平均值，入的测定 就比较准确。这些都可使实验的精度大大提 高。压电换能器的结构示意图见图6。压电 后盖反射板 压电阿震片 射头 换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组 图6压电换能器结构 成。压电陶瓷片（如钛酸钡，钻钛酸铅等）》 足由一种多品结构的压电材料做成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。在简 单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力T时，在极化方向上产生一定的电场强度 E,它们之间有一简单的线性关系E=g·T；反之，当与极化方向一致的外加电压U加 在压电材料上时，材料的伸缩形变S与电压U也有线性关系S=U。比例常数g,d称为 压电常数，与材料性质有关。由于B,T,S,U之间具有简单的线性关系，因此我们可以 将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的声源，同样也可以使声压 变化转变为电压的变化，用来接收声信号。在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属，组成 夹心形振子。头部用轻金属做成喇叭型，尾部用重金属做成柱型，中部为压电陶瓷圆环， 紧固螺钉穿过环中心。这种结构增大了幅射面积，增强了振子与介质的耦合作用，由于振 子是以纵向长度的伸缩直接影响头部轻金属作同样的纵向长度伸缩（对尾部重金属作用 小)，这样所发射的波方向性强，平面性好。 压电换能器谐振频率35±3kHz,功率不小于10W 【附录二】 数显表头的使用方法及维护 声速测定仪数显表头使用方法： l.inch/mm按钮为英制/公制转换用，测量声速时用“mm” 2.“OFF"ON”按钮为数显表头电源开关 3.“ZER0“按纽为表头数字回零用。 4.数显表头在标尺范围内，接收换能器处于任意位置都可设置“0”位。摇动丝杆，接收 换能器移动的距离为数显表头显示的数字。 5.数显表头右下方有“T”处打开为更换表头内扣式电池处。 6。使用时严禁将数显表头淋湿，如表头不慎受潮不能正常显示，可用电吹风吹干（用 电吹风低温档，温度不超过60℃)或把标尺卸下在太阳光下洒干驱潮即可恢复功能)。 ?,数显表头与数显杆尺的配合极其精密，应避免剧烈的撞击和重压。 8,仪器使用完毕后，应关掉数显表头的电源，以免无谓消耗钮扣电池
9.当数显表头的电池能量使用完时，应及时更换新电池。但在数显表暂时不能使用的 情况下，可以直接用游标卡尺进行读数，不会影响测量结果！ 【附录三】 不同介质声速传播测量参数（供参考） 一，空气介质（标准大气压下）： V=331.45+0.61t)m/s 二.液体介质： 1.淡水 1480m/s 2.甘油 1920m/s 3.变乐器汕 1425m/s 4.蓖麻油 1540m/s
SV4型声速测量组合仪装箱清单 型号规格 单位 数量 备注 SVA型声速测定仪 台 SV5型专用信号源 电源导线 根 两头Q9座导线 根 3 L=1m 实验讲义 (说明书) 本 装人 装箱日期 0车朝