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1、超声波声速测量实验中的误差分析超声波声速测量实验中的误差分析一、实验目的一、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2020 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
2、陶瓷超声波换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属，12组成夹心结构.头部用铝做成喇叭形，尾部用铜做成3锥形，中部为压电陶瓷环，螺钉穿过环的中心.压电4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T时，在极化方向产生一定的电场强度E，且有线性关系E kT；反之，当与极化方向一致的外加电压图 24-1U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 kU，比例系数k、k与材料性1.铝头2.压电陶瓷圆环质有关.由于E与T、s与U之间有简单的线性关3.黄铜尾部4.螺钉系，因此我们就可以将正弦交流电信号，转变成压
3、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v与声波频率f和波长的关系为v f（24-1）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，就可求出声速v.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）（一）驻波法（共振干涉法）实验装置如图 24-2 所示，S1和S2是两只相同的压电陶瓷超声换能器，S1用作发射器，S2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S1，S1将此信号转变为超声波信号，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
4、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.这样，由xS S1 1S S2 2S1发射的超声波和由S2反射的超声波，在S1和S2端面之间干涉，产生驻波共振现象.（二）相位比较法（二）相位比较法HZDH 信号源S S1 1Y Y1 1Y Y2 2S S2 2示波器Y Y1 1Y Y2 2图 24-2实验装置如图（24-2）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2x（24-4）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
5、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，并依次满足：0,3,2,22相应地，示波器将依次显示如图24-3：02图 24-3 32 2因此，当相位差从 0变化到时，李萨如图形从“/”变化到“”，相应的间距x的改变量为x 2；同理，当相位差从变化到 2时，李萨如图形从“”变化到“/”，相应的间距x的改变量也是x 2，由此测得波长.四、实验内容四、实验内容（一）仪器调整（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Y1连接示波器 EXT 接口；接收端波形接口Y2连接示波器
6、 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1015V），并且调整频率调节旋钮（频率在2545KHz）.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S1和S2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（二）驻波法测声速1.把信号频率设定为共振频率.2.将S2移到接近S1处（不要相接触
7、不要相接触）.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t.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：141平 均 值l ln，波 长l，实 验 声 速v实 f，理 论 声 速4n12v理 v0Tt 273.151（v0 331.45ms是T0 273.15K时空气中的 331.45T0273.15v实v理v理100%声速），相对误差Er（三）相位比较法测声速（三）相位比较法测
8、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t.五、注意事项五、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，S1和S2不能互
9、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S2远离S1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、数据处理六、数据处理七、误差分析七、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）八、附原始数据记录表格（注：实验时记录在原始数据上用）表表 24-124-1驻波法法测声速驻波法法测声速t（），f(Hz)次数01234567xn（cm）ln xn4 xn（cm）x4 x0 x5 x1x6 x2x7 x3表表 24-224-2相位比较法测声速相位比较法测声速t（），f(Hz)次数01234567xn（cm）ln xn4 xn（cm）x4 x0 x5 x1x6 x2x7 x3