实验24 超声波声速的测量

[实验目的]

1．学习用共振干涉法和相位比较法测量超声波的波速。

2．加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。

3．了解压电陶瓷换能器的工作原理。

4．培养综合运用仪器的能力。

[实验原理]

本实验中，声波频率f可由信号发生器直接读出，我们只要测出声波波长λ，就可以由公式ν=fλ可求出声速ν。测量λ的常用方法有共振干涉法和相位比较法。

一、共振干涉法（驻波法）

实验装置如图24-1所示，S₁ 和S₂ 是两只相同的压电陶瓷超声换能器。将正弦电压信号接入换能器S₁ ，S₁ 将发射出平面超声波。换能器S₂ 接收到超声波信号后，将它转变为正弦电压信号，接入示波器进行观察。

换能器S₂ 在接收超声波的同时，还反射一部分超声波。当S₁ 和S₂ 端面之间距离x，恰好等于超声波半波长的整数倍时，即：

                    （24-1）

在S₁ 和S₂ 之间的区域内将因干涉而形成驻波。

由于波节两侧质点的振动反相，所以在纵波产生的驻波中，波节处介质的疏密变化最大，声压最大，转变为电信号时，将会有幅值最大的电信号。本实验中S₁ 为波节，固定S₁ ，连续移动S₂ ，增大S₂ 与S₁ 的间距x，每当x满足（24-1）式时，示波器将显示出幅值最大的电压信号，记录这些波节（S₂）的坐标，则两个相邻波节之差即为半波长。

二、相位比较法

实验装置如图24-1所示，S₁ 发出的超声信号经空气传播到达接收器S₂ ，S₂ 接收的信号与S₁ 发射的信号之间存在相位差Δφ

                        （24-2）

本实验中，把S₁ 发出的信号直接引入示波器的水平输入，并将S₂ 接收的信号引入示波器垂直输入。这样，对于确定的间距x，示波器上将有两个同频率、振动方向相互垂直、相位差恒定的两个振动进行合成，从而形成李萨如图形。连续移动S₂ ，增大S₂ 与S₁ 的间距x，可使相位差变化。当Δφ=0，π/2，π，3π/2，2π时，李萨如图形依次出现图24-2所示的形状。

因此，当相位差从Δφ=0变化到Δφ=π时，李萨如图形从“/”变化到“\”，相应的间距x的改变量为半个波长；同理，当相位差从Δφ=π变化到Δφ=2π时，李萨如图形从“\”变化到“/”，相应的间距的改变量也是半个波长，由此测得波长。

[实验内容及步骤]

一、仪器调整

二、共振干涉法测声速

1．把信号频率设定为共振频率。

2．将S₂ 移到接近S₁ 处。从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动S₂ ，当示波器上出现振幅最大的波形时，从数显尺（或机械刻度）上读出读数x₀ 。

3．沿同一方向，再次移动S₂ ，逐个记录振幅最大时的位置x₀，x₁，x₂，…，x₇，共8个。

4．将数据记入表格24-1，并记录实验时的室温。计算波长、声速和误差。

三、相位比较法测声速

1．将信号频率设定为共振频率。

2．调整示波器，在水平方向接入发射端波形，在垂直方向接入接收端波形，使示波器上显示出椭圆形李萨如图形。

3．缓慢移动S₂ ，观察示波器屏幕上是否出现斜线-椭圆-斜线的图形变化。

4．从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动S₂ ，使示波器上出现一正斜率直线“/”（或负斜率直线“\”），记下相应的读数x₀ 。

5．移动S₂ ，逐渐增大间距，使示波器屏幕上交替地出现直线“\”和“/”，依次记录其位置x₁，x₂，…，x₇，共8个。

6．将数据记入表格24-2，并记录实验时的室温。计算波长、声速和误差。

[数据表格]

[数据处理]

一、共振干涉法测声速

二、相位比较法测声速

 

第二篇：实验1 超声波声速的测量(301)

 超声波声速的测量（301）

一、实验目的

1. 了解压电陶瓷换能器的工作原理

2. 培养综合运用仪器的能力

3. 学习用共振干涉法和相位比较法测量超声波的波速

4. 加深对驻波及振动合成等理论知识的理解

二、实验仪器

示波器、信号发生器、超声波声速测定仪、导线

三、实验原理

    声波是一种在弹性介质中传播的机械纵波.频率在20~20 000Hz的声波为可听声波.低于20Hz的声波为次声波，高于20 000Hz的声波为超声波，这两类声波不能被人耳听到，但与可听声波性质相同.

    本实验采用压电陶瓷超声波换能器，来产生和接收超声波.如图24-1所示，压电陶瓷超声波换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属，组成夹心结构.头部用铝做成喇叭形，尾部用铜做成锥形，中部为压电陶瓷环，螺钉穿过环的中心.压电陶瓷片由多晶结构的压电材料（如钛酸钡、锆钛酸铅）制成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应.即压电材料受到与极化方向一致的应力时，在极化方向产生一定的电场强度，且有线性关系；反之，当与极化方向一致的外加电压加在压电材料上时，材料的伸缩形变与电压也有线性关系，比例系数、与材料性质有关.由于与、与之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号，转变成压电材料的纵向长度伸缩，从而成为超声波的波源；同样也可以把超声波的声压变化，转变为电压的变化，用来接收超声波信号.

    声波的传播速度与声波频率和波长的关系为

                            （24-1）

实验中，声波频率可由信号发生器直接读出，我们只要测出声波波长，就可求出声速.测量的常用方法有共振干涉法和相位比较法.

（一）驻波法（共振干涉法）

    实验装置如图24-2 所示，和是两只相同的压电陶瓷超声换能器，用作发射器，为接收器.低频信号发生器输出的正弦电压信号，接入换能器，将此信号转变为超声波信号，发射出平面超声波.换能器接收到超声波信号后，将它转变为正弦电压信号，接入示波器进行观察.

    换能器在接收超声波的同时，还反射一部分超声波.这样，由发射的超声波和由反射的超声波，在和端面之间干涉，产生驻波共振现象.

   

（二）相位比较法

    实验装置如图（24-2）所示，发出的超声信号经空气传播到达接收器，接收的信号与发射的信号之间存在相位差

                            （24-4）

    本实验中，把发出的信号直接引入示波器的水平输入，并将接收的信号引入示波器垂直输入.这样，对于确定的间距，示波器上将有两个同频率、振动方向相互垂直、相位差恒定的两个振动进行合成，从而形成李萨如图形.连续移动，增大与的间距，可使相位差变化，并依次满足：

相应地，示波器将依次显示如图24-3：

 

图 24-3

      因此，当相位差从变化到时，李萨如图形从“/”变化到“\”，相应的间距的改变量为；同理，当相位差从变化到时，李萨如图形从“\”变化到“/”，相应的间距的改变量也是，由此测得波长.

 四、实验内容

（一）仪器调整

1.按图24-2 连接声速测试仪、声速测试仪信号源和双踪示波器.注意：发射端波形接口连接示波器EXT接口；接收端波形接口连接示波器CH2通道.

2.接通电源后，仪器自动工作在连续波方式，预热5分钟.仪器正常工作后，首先调节声速测试仪信号源的连续波强度和接收增益两旋钮（输出电压在10~15V），并且调整频率调节旋钮（频率在25~45KHz）.

3.打开示波器，预热2分钟.调整示波器，在水平方向接入扫描信号，在垂直方向接入接收端波形，并使图形稳定．

4.调节信号频率，观察频率调节时接收电压的幅度变化.在某一频率时电压幅度最大，该频率值就是测试系统的共振频率.改变和间距，重复调整，多次测定共振频率，取平均值为实验频率.

（二）驻波法测声速

1.把信号频率设定为共振频率.

2.将移到接近处（不要相接触）.从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动，当示波器上出现振幅最大的波形时，从数显尺（或机械刻度）上读出读数.

3.沿同一方向，再次移动，逐个记录振幅最大时的位置，共8个.

4.将数据记入表格24-1，并记录实验时的室温.用逐差法处理数据，由下面给出的公式，计算波长、声速和误差：

平均值，波长，实验声速，理论声速（是时空气中的声速），相对误差

（三）相位比较法测声速

1.将信号频率设定为共振频率.

2.调整示波器,在水平方向接入发射端波形,在垂直方向接入接收端波形,使示波器上显示出椭圆形李萨如图形.

3.缓慢移动，观察示波器屏幕上是否出现直线-椭圆-直线的图形变化.

4.从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动，使示波器上出现一正斜率直线“/”（或负斜率直线“\”），记下相应的读数.

5.移动，逐渐增大间距，使示波器屏幕上交替地出现直线“\”和“/”，依次记录其位置，共8个.

6.将数据记入表格24-2，并记录实验时的室温.

五、注意事项

1.仪器使用中，应避免声速测试仪信号源的输出端短路；

2.实验中，和不能互相接触，否则会损坏压电换能器；

3.由于声波在空气中衰减较大，声波振幅随远离而显著变小，实验时应随时调节示波器垂直方向的衰减旋钮；

4.螺旋来回转动会产生螺距间隙偏差，测量时应沿一个方向转动超声波测试仪鼓轮.

六、数据处理

七、误差分析

八、附原始数据记录表格（注：实验时记录在原始数据上用）

表24-1  驻波法法测声速          （℃），     (Hz)

表24-2  相位比较法测声速          （℃），     (Hz)