天津工业大学 大学物理实验室 实验指导书

超声波在固体中传播速度的测量

【实验目的】

1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。

2、学会用逐差法处理实验数据。

3、熟悉超声波发生器、数字显示尺、数字示波器等仪器的使用。

【实验原理】

在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。

时差法测量原理

在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度公式：

?LC? (1) ?t

即通过在已知的距离ΔL内计测声波传播的时间Δt，从而计算出声波的传播速度C。实验上，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于驻波法和相位比较法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。

图1 发射波与接收波

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【仪器与器材】

SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（铝棒和有机玻璃棒）。

【实验内容与步骤】

1. 测量超声波在铝棒中传播速度

图5 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图

（1）按图2接线，将测试方法设置到脉冲波方式，将接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以SVX-7声速测试仪信号源上的计时器不跳字为好。

（2）将发射换能器发射S1端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和长固体棒A0的端面上涂上适量的耦合剂，再把长固体棒A0放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器S2接收端面放置于固体棒A0的上端面并对准，降下S2与固体棒A0端面接触。

（3）这时SVX-7声速测试仪信号源上的计时器的读数为t0 (μs)，SV-DH-7A型测试架上数显尺给出固体棒A0上端面的位置为L0 (mm)。提升接收换能器S2，将另一根长固体棒A1(与A0完全相同)两端面上涂上适量的耦合剂，置于下面的固体棒A0之上，并保持良好接触，再移下接收换能器S2，这时计时器的读数为t1，固体棒A1的位置为L1，将相应数据填在表1中。

（4）类似于上一步测量C1，提升接收换能器S2，将另一根短固体棒A2端面上涂上适量的耦合剂，置于下面的长固体棒A1之上，并保持良好接触，再移下接收换能器S2，这时计时器的读数为t2，短固体棒A2上端面的位置为L2。将相应数据填在表1中。

2. 测量超声波在有机玻璃棒中传播速度

两长一短有机玻璃棒分别记为G0、G1和G2，测量步骤（1）～（4）完全同于1. 将相应数据填在表2中，并进行数据处理。

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3. 测量超声波在有机玻璃和铝连接棒中传播速度

先后利用2个长有机玻璃棒G0和G1以及长铝棒A0/1，再次测量超声波分别在有机玻璃棒和铝棒中的速度，测量步骤（1）～（4）完全同于1. 将相应数据填在表3中，并进行数据处理。 【注意事项】

(1) 避免声速测试仪信号源的发射换能器发射S1与接收换能器S2接收端面短路。 (2) 避免接收换能器S2接收端面与材料棒接触过紧。 (3) SV-DH-7A型测试架上的数显尺用后应关闭电源。 【数据处理】

(1) 按C1=(L1-L0)/(t1-t0)计算得长固体棒A/G1中的超声波声速C1； (2) 按C2=(L2-L1)/(t2-t1)计算得短固体棒A/G2中的超声波声速C2；

(3) 计算铝棒和有机玻璃C1和C2的平均值C，并根据提供的参考值计算百分误差Δ(%)。

(3)按C=(L2-L0)/(t2-t0) 计算超声波在有机玻璃和铝连接棒中的平均传播速度C。 实验数据的处理结果亦填在数据记录表中。

表1 测量超声波在铝棒中传播速度

表2 测量超声波在有机玻璃棒中传播速度

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表3 测量超声波在有机玻璃和铝连接棒中传播速度

固体中的纵波声速参考数据：

铝：CA=5150 m/s， 有机玻璃：CG=2200 m/s. 由于多种原因，实际测得的声速范围可能会较大。

【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、声音在不同介质中传播有何区别？声速为什么会不同？

3、超声波在有机玻璃和铝连接棒中的平均传播速度CAG与实测的CA和CG有什么关

系？

4、超声波在空气中的速度为多少？

5、你认为本实验的误差Δ都来源于什么因素？

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第二篇：超声波在空气中的传播速度预习

实验预习

 

【实验目的】

1. 熟练掌握用共振干涉法和相位比较法测量超声波在空气中传播速度。

2. 学会运用逐差法处理测量数据。

【实验原理】

我们知道，声波在空气中的传播速度v与其频率f和波长λ的关系为

                 ν=f·λ                            （13.1）

那么,如果测得声波的频率f和波长λ，就可以求出声波速度v，在本实验中,声波频率f可直接由超声信号源显示的数值读出，所以我们的主要任务就是测出声波的波长λ。

1.  共振干涉法（驻波法）

实验装置如图13.3所示，图上S₁和S₂分别表示两只超声压电转换器，S₁为发射器，当它被超声信号源的电信号激励后由于逆压电效应发生受迫振动，振动频率与电信号激励频率相同，并向周围空气定向发出一近似平面波。S₂为超声接收转能器，它受迫振动后产生压电效应输出电信号，电信号的频率与超声波的振动频率相同。

 

图13.3   共振干涉法（行波法）测量原理图

当S₁和S₂两个端面互相平行时，超声波从S₁传至S₂端面将被反射，产生干涉，形成驻波。

当                      （n=0,1,2,……）             (13.2)

振幅为极大值，产生共振，这时接收器S₂收到的声压为极大值，经过压电效应转换后的电信号输出也为极大值，而相邻两极大值之间的距离均为/2.  

在实验过程中，由于各种损耗，各极大值会随着L的增大而逐渐减小，我们只要测出接收转能器 S₂在各个相邻极大值的位置，即可求得波长。

用游标卡尺依次测出16个极大值的位置，并用逐差法处理数据：

……

由                             (13.3)

得

                                   (13.4)

2.  相位比较法（行波法）

实验装置如图13.4所示。声波输出源与接收点存在着相位差，这相位差我们可以通过比较发射换能器的激励信号与接收换能器输出电信号的相位关系得出。

当接收点与发射点的距离变化等于一个波时，接收点输出的信号与波源的相差也正好变化一个周期，即 

Df=0         p/2           p          3p/2         2p

 

图13.5    几种相位差时的李萨如图形

判别相位差本实验利用李萨如图形。将接收器S₂输出的信号加在示波器的Y接口（CH1接口），超声信号源输出的信号加在示波器的X接口（CH2接口），当相位差是

Df=2p(n=0,1,2,……)                 (13.5)

李萨如图形为一倾斜的直线。

具有不同相位差的X、Y轴输入构成的李萨如图形如图13.5所示。如果移动接收换能器,观察每反相一次（即Δf=p）S₂的位置，即可用相邻两个S₂的位置之差得出其对应的半个波长l/2。

与共振干涉法相类似，测出16个相应数据，并用逐差法处理之。

【实验内容和步骤】

1. 干涉法测

⑴ 按图13.3接好线路,注意信号源“+”输出线的红色插头与测速仪S₁的红色插孔相接,黑色插头与黑色插孔相接,接收换能器S₂的输出信号接到示波器的Y接口(CH1接口)。

⑵ 调整超声声速仪S₁固定环上的紧固螺钉，使S₁的端面与卡尺垂直，再调节S₂端面，使其与S₁端面平行，并位于距S₁端面30—50mm处。

⑶ 接通示波器预热，将示波器的Y轴灵敏度和扫描灵敏度旋钮调节在适当档位，X—Y按键打在“OFF”位置。（示波器的其他旋钮的使用请参考实验三）。

⑷ 将超声信号源的频率“粗调”旋钮反时针旋至最左边，“细调”旋钮旋至中间位置。接通超声信号源电源，则超声信号源屏上有输出频率显示。顺时针细心旋转频率“粗调”旋钮并同时观察示波器荧光屏，使S₂的输出尽量大，这时串联在回路中的信号灯发亮（无信号灯的测速仪只观察示波器的荧光屏），再左右调整频率“细调”旋钮使S₂输出的信号达到最大值，这时换能器处于谐振动工作状态，一般情况下，这时信号灯最亮。

⑸ 利用游标卡尺上的微动螺丝仔细移动长尺游标以改变S₂的位置，并在示波器上观察信号的大小，找出S₂输出最大值的位置记下这时卡尺的读数，再利用游标卡尺上的微动螺丝移动游标卡尺，逐渐加大S₁与S₂之间的距离，同时监视S₂的输出在示波器荧光屏上显示的波形，依次把信号每出现一次最大值时，游标卡尺上的读数读出记录数据，共测16次最大值。

当示波器荧光屏上每次显示信号最大值（即波形峰—峰值）逐渐减小到<3div时,可改变示波Y轴的灵敏度,以便于准确找到最大值的位置.

⑹ 记录环境温度t及超声波频率f，对测量数据进行处理，求出超声波的声速 ，并与理论值相比较，求出相对误差

得出测量值

2. 相位法测

⑴ 按图13.4接好连线,除将超声信号源“地接口”的信号接到示波器的X接口（CH2接口）外，其他接线方式与干涉法相同。

⑵ 把示波器的X—Y按键打到“ON”的位置。

⑶ 调S₂端面，使其与S₁端面相距30—50mm。

⑷ 利用游标卡尺的微动螺丝移动游标以改变S₂的值，在示波器上观察李萨如图形的变化情况，找出X、Y轴输入信号相位差ΔΦ=p 时S₂的位置，这时图形为一条倾斜直线如图13.5所示，记录游标所在位置的读数。再利用游标长尺上的微动螺丝移动游标，依次逐渐增大S₂与S₁之间的距离并观察示波器上李萨如图形的变化，当相位差每变化π时，李萨如图形均为一斜直线，如图13.5所示，共测16个数据。

⑸ 记下室温t、超声波频率f，类似干涉法的数据处理方法计算出Δn_测、n_理、E和n=n_测±n_{理 。}

【注意事项】

1．测量时应使用螺柄使S₂移动。

2．当使用液体为介质测声速时，应避免液体接触到其他金属件和容栅数显尺上，以免损坏仪器。

3．使用时，应避免信号源的信号输出端短路。

4．用时差法测量时，S₁和S₂之间的距离要约大于10 cm开始测量。