SV声速测定实验讲义

1、空气介质的声速测量（SV3型声速测定仪）实验讲义杭州精科仪器有限公司空气介质的声速测量声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于的声波称为次声波；频率在的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在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。有些问题都可以通过测定物质中的声速来解决。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。【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、相位比较法测定超声波的传播速度。【实验原理】在波动过程中波速、波长和频率之间存在着下列关系

2、：，实验中可通过测定声波的波长和频率来求得声速。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。声波传播的距离与传播的时间存在下列关系： ，只要测出和就可测出声波传播的速度，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：、波束2：，当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：，这里为声波的角频率， 为经过的时间，为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按变化。如图1所示。 压电陶瓷换能器作为声波发射器，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；而换能器则作为声波的接收器，正压电效应将接

3、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声压信号产生的正弦波形。声源发出的声波，经介质传播到，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（）与发射面（）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处的振动情况。移动位置（即改变与之间的距离），你从示波器显示上会发现当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。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，缓慢的改变和之间的距

4、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移动过的距离亦为。超声换能器至之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，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接读出。在连续多次测量相隔半波长的的位置变化及声波频率以后，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不随时间变化。设声源方程为 距声源处接收到的振动为 两处振动的相位差 ，当把和的信号分别输入到示波器轴和轴，那么当即时，合振动为一斜率为正的直线，当，即时，合

5、振动为一斜率为负的直线，当为其它值时，合成振动为椭圆（如图2）。【实验仪器】实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的型声速测定仪及型声速测定专用信号源各一台。其外形结构见图3。图3测试支架由读数刻度尺、压电换能器传动机构等组成。作为发射超声波用的换能器 固定在支架的左边，另一只接收换能器装在可移动螺旋丝杆位移装置上。换能器的相对位移由刻度尺读取 。发射换能器超声波的正弦电压信号由声速测定专用信号源供给，换能器把接收到的超声波声压转换成电压信号，用示波器观察；实验时实验室需自备示波器一台.【实验内容】一声速测量系统的连接:声速测量仪、专用信号源、示波器之间，连接方法见图。 图4二谐振频率的调节:

6、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先将专用信号源的“发射波形”端接至示波器的，调节示波器，能清楚地观察到同步的正弦波信号，观察完毕拆除接线；2专用信号源的上“发射输出” 端接至发射换能器，调节信号源输出幅度，使其输出电压在左右，然后将换能器的接收信号接至示波器，调整信号频率，仔细观察示波器屏幕上接收波的电压幅度变化，当信号源的输出在某一频率点处（之间，因不同的换能器或介质而异）示波器显示的电压幅度最大，此频率即是压电换能器、相匹配频率点，记录此频率

7、 。3改变、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，直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值。共测次取平均频率。三共振干涉法、相位法测量声速:1共振干涉法（驻波法）测量波长：按图4进行连线，先确定最佳工作频率。观察示波器，找到接收波形的最大值，在刻度尺上读出此时的位置 并记录。然后，向着同方向移动接收换能器，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波形发生相移），逐个记下振幅最大时的，共个点，单次测量的波长 。用逐差法处理这十个数据，即可得到波长 。2相位比较法（李萨如图法）测量波长：按图5所示连接方式。确定最佳工作频率，“发射波形”接到双踪示波器

8、“”端；接收换能器输出接到“”，功能转换到“” 显示方式，适当调节示波器，出现李萨如图形。移动，观察波形为一定角度的斜线，记下的位置，再向前或者向后（必须图5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的振动波形发生了相移。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，。单次波长 。多次测定用逐差法处理数据，即可得到波长。【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。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，及其标准偏差，同时考虑仪器的示值读数误差为。经计算可得波长的测量结果。3按理论值公

9、式 ，算出理论值 。式中为时的声速，。 4计算出通过二种方法测量的以及值，其中 。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 ，= 【思考题】1声速测量中共振干涉法、相位法有何异同？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

10、特点。同时，由于频率在超声范围内，一般的音频对它没有干扰。频率提高，波长就短，在不长的距离中可测到许多个，取其平均值，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。压电换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成。压电陶瓷片（如钛酸钡，锆钛酸铅等）是由一种多晶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时，在极化方向上产生一定的电场强度，它们之间有一简单的线性关系；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。比例常数，称为压电常数，与材料性质有关。由于之间具有简单的

11、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，功率不小于。【附录二】 不同介质声速传播测量参数（供参考）一空气介质：标准大气压下传播介质空气 : 二液体介质：1淡水 2甘油 3

12、变压器油 4蓖麻油 三固体介质：1有机玻璃 2尼龙 3聚胺脂 4黄铜 5金 6银 注：固体材料由于其材质、密度、测试的方法各有差异，故声速测量参数仅供参考。【附录三】 SV3型声速测定仪使用说明书一概述： 本仪器可用驻波法(干涉法)或相位法(行波法)对声波在空气中的传播速度进行定量的测定。仪器内声波的发射与接收均采用超声压电换能系统,符合教学大纲对实验的要求。严格的说,仪器发射的声波属于次超声中的特定频率,即在的范围内。由于压电换能系统的工作频带在几千赫的范围内所以本仪器不适于对任意波长的声波在空气中的传播速度进行测定。本仪器在使用时配用专用信号源及一般通用示波器即可进行实验。上述示波器一般实

13、验室均有配备。二结构：仪器由底座、螺旋平行移动机构及两只超声压电换能器组成（见图1）。两只换能器的相对位置距离的变化量可摇动螺旋移动机构的手柄，通过标尺指示，即可直接读出。三主要技术指标：1. 超声压电换能器：谐振频率：谐振点阻抗：最大发射功率：2. 有效测定距离：3. 读数精度：(读数鼓轮的最小刻度)4. 实验结果与理论值相对误差：四.使用：仪器使用前应按示意图与配用仪器联接好，注意使所有仪器均良好接地，以免外界杂散电场引起测定误差。1. 应用本仪器测定空气中的声速可分别采取驻波法（干涉法）或者相位法（行波法）进行，现分述如下：(1) 驻波法：由声波传播理论可知，当两只换能器平衡端面间有声波

14、传播而此两换能器平面端面间的距离又恰好等于其声波二分之一波长的整数倍时，两平面端面间将形成声波驻波。在声波驻波中，波腹处声压最小、波节处声压最大。接收换能器的反射界面处为波节，声压应最大。所以可从接收换能器端面声压的变化，亦即是接收换能器输出电压的变化来判断声波驻波是否形成。摇动手柄，改变两只换能器端面间的距离，并同时监测接收换能器输出电压幅度的变化，记录不相邻两次出现最大电压数值时标尺的读数，则两读数之差的绝对值应等于其声波波长的二分之一。声波频率由频率计从发射换能器的激励电压信号测出，这样根据公式：就可算出声波在空气中的传播速度。为提高测量精度应充分应用整个标尺行程，尽可能多的取得产生驻波

15、时的标尺读数，然后将所得的数据进行逐差法处理，这样对波长的测定能更为准确。具体步骤如下： 两只换能器的输入和输出插口，用专用连接线接上相关仪器。 摇动手柄，使两只换能器端面靠近，但不可接触，否则会改变发射换能器谐振频率。 增加信号源输出正弦电压的幅度，同时观察和调整好接收端监测的示波器，当有接收输出电压指示后，仔细调整信号发生器的输出信号频率，使发射换能器处于谐振状态。注意：信号源输出电压不宜超出这是因为：第一，换能器输出功率与激励电压具有非线性关系，电压高输出不一定大，而且还可能减小，换能器输出功率的大小，决定于电阻抗和机械阻抗是否良好匹配，（电谐振和机械谐振的配合）。（电压值均指有效值）。

16、 摇动手柄，逐渐加大两只压电换能器端面间的距离，同时监测接收输出指示，当每出现一次最大数值时，读取并记录标尺指示数。为准确得到接收声压最强的位置，应仔细调整接收换能器位置。 按实验要求测出所需数据个数，进行处理后，计算出声波在空气中的传播速度。(2) 相位法：声波波源和接收点存在着相位差，而这相位差则可以通过比较接收换能器输出的电位号与发射换能器输入的激励电信号的相位关系中得出。当接收点的波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的相位差也正好变化一个周期（即）即可得出其对应声波的波长，再根据已知声波的频率，即可求出声波在空气中的传播速度。具体实施步骤如下： 按示意图接线，把通道转换为通道的

17、功能。接收换能器输出电压信号引入示波器轴。注意调节信号源输出幅度旋钮，把发射信号直接连接到示波器的,适当调节示波器的增益旋纽，使示波器荧光屏上的李沙育图形能便于观察，可以按驻波法实验步骤调整，使发射换能器谐振。 为了准确判断相位关系，将接收换能器调整到相位差为或的位置。读数并记录。示波器荧光屏上具有不同相位差的输入构成的李萨如图如图三所示。 按要求测出所需数据个数，用逐差法进行处理后，计算出声波在空气中的传播速度。五实验范例：实验项目1：用驻波法测定声波在空气中的传播速度数据记录表输入电压输入频率环境温度测量次数1-45-89-12形成驻波时标尺读数25.2643.0860.9129.7247

18、.5463.3634.1751.9969.8238.6356.4574.28实验仪器：型超声声速测定仪1台，型专用信号源1台 ，双踪示波器1台平均值，实验值： 相对误差: 实验项目2：用相位法测定声波在空气中的传播速度输入电压输入频率环境温度 标尺读数标尺读数标尺读数029.8447.6865.5234.3052.1469.9838.7656.6074.4443.2261.0678.90数据记录表实验仪器：型声速测定仪1台,型专用信号源1台 , 双踪示波器1台平均值，实验值： 相对误差:附表: 不同温度下干燥空气中的声速（本表计算公式： ）0331.45010.5337.76020.5343.66330.5349.4651.0332.05011.0337.05821.0343.95531.0349.7531.5332.35911.5338.35521.5344.24731.5350.0402.0332.66112.0338.65222.0344.53932.0350.3282.5332.96312.5338.94922.5344.83032.5350.6143.0333.26513.0339.24623