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1、超声波声速的测量第1页，本讲稿共30页目 录二、实验目的二、实验目的三、实验原理三、实验原理1 1、谐振频率的测量、谐振频率的测量2 2、声速测量的方法、声速测量的方法）共振干涉法）共振干涉法）相位比较法）相位比较法一、声波研究的应用一、声波研究的应用四、实验内容四、实验内容第2页，本讲稿共30页五、实验仪器介绍五、实验仪器介绍1.1.声速测量仪（压电陶瓷换能器）声速测量仪（压电陶瓷换能器）2.2.示波器示波器3.3.信号发生器信号发生器六、思考题六、思考题第3页，本讲稿共30页一、声波研究的应用一、声波研究的应用1 1、声波的特点、声波的特点2 2、声速测量的目的、声速测量的目的3 3、声速
2、测量的发展、声速测量的发展第4页，本讲稿共30页1 1、声波的特点、声波的特点 频率在率在202020000Hz20000Hz的声振的声振动在在弹性媒性媒质中所激起中所激起的的纵波称声波，声波是一种机械波。波称声波，声波是一种机械波。频率超率超过20000Hz20000Hz的声波称的声波称为超声波。次声波指的是超声波。次声波指的是频率在率在0.00010.0001赫赫兹至至2020赫赫兹之之间的波。的波。声波的声波的频率、波率、波长、速度、相位等是其重要特性。、速度、相位等是其重要特性。在在标标准准状状态态下下，0C0C时时，声声速速为为 v vo o331.45m331.45ms s，显然在
3、显然在 t tC时，干燥空气中声速的理论值应为时，干燥空气中声速的理论值应为 由此我由此我们也可以想象，在极地和赤道声音也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是播的速度是不同的不同的 。第5页，本讲稿共30页 声波在空气中的声波在空气中的传播速度与声波的播速度与声波的频率无关，只取率无关，只取决于空气本身的性决于空气本身的性质（如同弦上横波的（如同弦上横波的传播速度与弦的播速度与弦的振振动频率无关，取决与弦率无关，取决与弦线的的张力与力与线密度），密度），因此，因此，根据根据测定出的声速定出的声速还可以推算出气体的一些参量。可以推算出气体的一些参量。-绝热系数，绝热系数，R-R-摩尔气体常数，
4、摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质量，空气分子的摩尔质量，T T-绝对温度绝对温度第6页，本讲稿共30页2 2、声速测量的目的、声速测量的目的 声学声学测量和分析是人量和分析是人们认识声学声学问题本本质的一种的一种手段。通手段。通过必要的必要的测量和分析可以量和分析可以对声学有定量概念，声学有定量概念，从而了解其从而了解其规律性。律性。声速与声速与传声媒声媒质的特性及状的特性及状态有关，例如液体和有关，例如液体和固体的固体的弹性模量与密度的比性模量与密度的比值一般比气体大，其中的一般比气体大，其中的声速也声速也较大。通大。通过对超声波声速的超声波声速的测量，可以了解被量，可以了解被测媒媒质的特性
5、及状的特性及状态的的变化，在工化，在工业生生产上具有一定上具有一定的的实用意用意义，如，如测量气体或溶液的量气体或溶液的浓度、以及度、以及输油管油管中不同油品的分界面等等。此外，声速的中不同油品的分界面等等。此外，声速的测量在声波量在声波探探伤、定、定伤、测距、距、显示等方面也有着重要的意示等方面也有着重要的意义。第7页，本讲稿共30页3 3、声速测量的发展、声速测量的发展 二十世二十世纪以来，声学以来，声学测量技量技术发展很快目前声学展很快目前声学仪器有器有较大大发展，并具有高保真度，如展，并具有高保真度，如宽的的频率范率范围和和动态范范围，小的非，小的非线性畸性畸变和良好的瞬和良好的瞬态响
6、响应等。等。过去，去，测量声波和振量声波和振动的的仪表都是模表都是模拟式式电子子仪表，表，测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现了数字式了数字式仪表，直接采用数字表，直接采用数字显示，提高了示，提高了测量量时读数的数的准确度。由于准确度。由于计算技算技术和高和高质量、低功耗的大量、低功耗的大规模集成模集成电路的路的发展，人展，人们已能用由微已能用由微处理机控制的自理机控制的自动测量代替量代替逐点逐点测量，使量，使许多需要事后多需要事后计算的声学算的声学测量和分析工作可量和分析工作可以用微以用微计算机算机实时运算。运算。第8页，本讲稿共3
7、0页 以微以微处理机理机为中心的中心的测量量仪器，不但器，不但实现了小了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里叶型化、多功能，而且由于采用了快速博里叶换算法算法从而从而实现了了实时分析。同分析。同时也出也出现了一些新的声学了一些新的声学测量和分析方法，例如量和分析方法，例如实时频谱分析，声分析，声强测量，量，声源声源鉴别，瞬，瞬态信号分析，相关分析等。信号分析，相关分析等。今后声学今后声学测量的任量的任务是采用新的是采用新的测量技量技术，提，提出新的出新的测量力法，使用自量力法，使用自动化数字式化数字式仪器，以提高器，以提高测量的淮确度和速度。量的淮确度和速度。回回顾历史，可以看到，在史，可以
8、看到，在发展展经典声学的典声学的过程中，程中，许多研究工作是直接用人耳来听声音的。直多研究工作是直接用人耳来听声音的。直到本世到本世纪，发展了无展了无线电电子学，才使声波的子学，才使声波的测量量采用了采用了电声声换能器和能器和电子子测量量仪器。器。第9页，本讲稿共30页1.1.理解压电陶瓷换能器的工作原理；理解压电陶瓷换能器的工作原理；2.2.掌握使用共振干涉法和相位比较法测量声波波掌握使用共振干涉法和相位比较法测量声波波速；速；3.3.学习使用示波器进行信号接受和相位比较；学习使用示波器进行信号接受和相位比较；4.4.了解声波研究的应用。了解声波研究的应用。二、实验目的第10页，本讲稿共30
9、页压电陶瓷换能器工作原理 本本实验所使用的所使用的压电陶瓷陶瓷换能能器，一个是用来器，一个是用来产生机械振生机械振动并在并在空气中激空气中激发出超声波；另一个用来出超声波；另一个用来接收振接收振动，同，同时在在电输出端出端产生相生相应的的电信号。信号。压电系系统有一有一谐振振频率，系率，系统工作在工作在谐振振频率率时，产生生机械机械谐振，此振，此时得到的得到的电信号最信号最强。三、实验原理第11页，本讲稿共30页正压电效应：正压电效应：当压电材料受到与极化方向一致的应力T的作用而变形时，其内部就产生极化现象，在它的两个表面上就带有符号相反的电荷，在极化方向上产生一定的电场强度E，且具有线性关系
10、：E=T；当力方向改变时，电荷的极性也随着改变；当外力去掉后，它又重新恢复不带电时的状态。压电式式传感器工作原理是以某些物感器工作原理是以某些物质的的压电效效应为基基础的。的。逆逆压电效效应：当在压电材料的极化方向施加与极化方向一致的外加电压U，这些材料会产生伸缩形变，且与U有线性关系：S=dU；若施加交变电场，则介质因形变而振动。第12页，本讲稿共30页1、压电陶瓷换能器谐振频率的调节 根据示波器显示的波形幅度确定换能器根据示波器显示的波形幅度确定换能器（发射端）激励信号频率。（发射端）激励信号频率。改变信号发生器的改变信号发生器的频率时，看到频率时，看到参数测量：谐振频率：室温：四、实验内
11、容第13页，本讲稿共30页2、声速测量的方法 本本实实验验是是对对超超声声波波波波速速的的测测量量。测测量量声声速速最最简简单单、最最有有效效的的方方法法之之一一是是利利用用声声速速v v、振振动动频频率率 f f 和和波波长长 之间的基本关系，即之间的基本关系，即测量波长测量波长有两种方法：有两种方法：）相位比）相位比较较法法）共振干涉法）共振干涉法 本本实验在在换能器能器谐振状振状态下下进行声速的行声速的测量，振量，振动频率率f f即即为所用所用换能器的能器的谐振振频率率第14页，本讲稿共30页1）相位比较法波波是是振振动动状状态态的的传传播播，也也可可以以说说是是相相位位的的传传播播。沿
12、沿传传播播方方向向上上的的任任何何两两点点，其其振振动动状状态态相相同同,即即同同相相(相相位位差差为为0 0或或者者说说其其相相位位差差为为2 2的的整整数数倍倍)，两两点点间间的距离的距离 l 应等于波长应等于波长的整数倍，即的整数倍，即 (n(n为正整数为正整数)利用这个公式可测量波长。利用这个公式可测量波长。注：声波是注：声波是纵波，波，图以横波示例，以横波示例，为清楚清楚说明物理量的关系。明物理量的关系。第15页，本讲稿共30页 位相比较法测声速装置示意图相位比较法接线图第16页，本讲稿共30页 示波器示波器CH1CH1和和CH2CH2分别接换能器发射端和接收端，示波器的分别接换能器
13、发射端和接收端，示波器的“扫描信号周期扫描信号周期”选择选择“X-YX-Y”档，当改变换能器之间的距离时档，当改变换能器之间的距离时相位比较法信号输出两个同斜率直线所对应的换能器间距为一个波长两个同斜率直线所对应的换能器间距为一个波长 。第17页，本讲稿共30页两路电信号的合成李萨如图形 当两路信号同时输入示波器时，荧光屏上将显示当两路信号同时输入示波器时，荧光屏上将显示两个同频率相互垂直的简谐振动的叠加图两个同频率相互垂直的简谐振动的叠加图李李萨如图萨如图两路信号相位差为两路信号相位差为/4/4。两路信号相位差为两路信号相位差为0 0或或2 2整数倍整数倍 。第18页，本讲稿共30页相位比较
14、法数据处理（1）记录半波长数据李萨如图形接受头位置101112卡尺读数（cm）接收头位置接收头位置(cm)（cm）（cm）（cm）（）使用逐差法处理数据第19页，本讲稿共30页2）共振干涉法 共振干涉法也称共振干涉法也称驻波法。波法。发射器射器发出的声波近似于出的声波近似于平面波。平面波。经接收器反射后，波将在两端面接收器反射后，波将在两端面间来回反射来回反射,并且叠加。当两个并且叠加。当两个换能器之能器之间的距离等于半波的距离等于半波长的整数的整数倍倍时发生共振，生共振，产生共振生共振驻波波现象，波幅达到极大。象，波幅达到极大。由由纵波的性波的性质可以可以证明，振明，振动位移位移处于波于波节
15、时，则声声压是是处于波腹，此于波腹，此时产生的生的电信号最信号最强。返返第20页，本讲稿共30页共振干涉法接线图共振干涉法测声速装置示意图第21页，本讲稿共30页 将压电陶瓷换能器的接收端接入示波器的将压电陶瓷换能器的接收端接入示波器的CH1CH1CH2CH2通道，通道，当改变换能器之间的距离时当改变换能器之间的距离时共振干涉法信号输出第22页，本讲稿共30页共振干涉法数据处理参照相位比较法自拟参照相位比较法自拟第23页，本讲稿共30页五、实验仪器 本本实验使使用用的的仪器器主主要要有有：声声速速测量量仪、信信号号发生生器器和示波器。和示波器。声声速速测量量仪由由压电陶陶瓷瓷换能能器器（声声压
16、与与电压之之间的的转换）、带有有标尺尺的的底底座座和和读数数装装置置（波波长的的测量量）组成；成；信号信号发生器生器用来用来产生超声波；生超声波；示波器示波器用来用来观察超声波的振幅、相位和察超声波的振幅、相位和频率。率。第24页，本讲稿共30页超声声速测量仪使用超声声速使用超声声速测量量仪进行行测量量时注意避免空程差注意避免空程差.第25页，本讲稿共30页示波器面板 开关开关图形水平调节图形水平调节图形垂直调节图形垂直调节图形垂直调节图形垂直调节亮度亮度聚焦聚焦第26页，本讲稿共30页INPUT输入调至AC/DCINPUT输入调至AC/DC触发MODE选择AUTO调节“触发电平”使信号波形稳
17、定“扫描信号周期扫描信号周期”“X-Y”档档CH1信号信号振幅调节振幅调节CH2信号信号振幅调节振幅调节开关开关示波器面板 第27页，本讲稿共30页信号发生器频率范围选择信号输出频率微调开关第28页，本讲稿共30页1 1在共振法中，示波器不能在共振法中，示波器不能显示接收示接收换能器的能器的输出波形，但出波形，但连线无无误，仪器和器和导线无故障，你估无故障，你估计有哪些原因造成？有哪些原因造成？应当如何当如何处理？理？2 2在各种不同的介在各种不同的介质中声速是否相同？中声速是否相同？请设计一一个方案个方案测量超声波在水、油或其他液体中的声速量超声波在水、油或其他液体中的声速.六、思 考 题 第29页，本讲稿共30页 谢 谢物理教学实验中心第30页，本讲稿共30页