超声声速的测量

超声声速的测量一、实验目的1.通过实验了解换能器的原理及工作方式；2.用共振干涉法（驻波法）测量声速；3.用相位比较法（行波法）测量声速。二、实验仪器1、声速测试仪

(SV-DH-7A)2、综合声速测定仪信号源

(SVX-5)3、数字示波器

(25MHz)

声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它在不同介质中传播的速度是不同的。声波可以在固体、液体或是气体介质中传播，介质密度愈大，则声速愈快。

可闻的声波频率为20-20KHz。频率大于20kHz的机械波为超声波。超声波具有方向性好、穿透本领大等特点。本实验就是利用超声波来测定空气中的声速。三、实验原理

声速、声源振动频率和波长之间的关系为

式中为声速；为频率；为波长。

频率的测定：调节信号发生器输出频率直至换能器谐振，此时超声波的频率即为换能器谐振频率，频率大小直接可由信号源面板读出（具体调节见实验内容）。﹡补充材料及仪器介绍压电换能器简介有些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生形变时，其表面会产生电荷，去掉外力时又回到不带电状态，这种现象叫做压电效应；具有该效应的物质为压电材料；利用压电材料的压电效应制成的换能器叫做压电换能器。我们将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的生源，同样也使声压变化转变为电压的变化，用来接收声信号。

声波波长的测量方法1.驻波法入射波：反射波：驻波方程：当形成驻波共振，任意两个相邻的共振态之间，S2的位移为

L入射波反射波S1S2

如何利用波形来判断半波长的距离：由纵波性质和驻波理论可知，接收面按振动位移来说处于波节时、按声压来说是处于波腹、接收到的声压相应达到最大值、所接受电信号最强。波形最大，即当S2处于半波长整数倍距离时，示波器所显示的信号幅度极大，移动接受器S2时、逐渐变小、然后再次变为极大、相邻二次达到极大值的距离为半波长／2.S2S12、相位比较法（即李萨如图形法）：置示波器功能于X－Y方式，合成振动方程为：

发射波和接收波之间相位差：相位差从0～1800

变化，李萨如图形分别为：改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，波形随L不断变化。显然，当L改变一个波长，则相位差改变3600。图形回到原样。

频率显示发射波形接收波形发射接收

接收放大发射强度频率细调频率粗调脉冲波连续波空气液体金属非金属仪器结构:信号源发射头接收头调节调节螺丝信号接收信号发射板距离调节仪器结构:信号测试架实验内容

一、调节谐振频率1.按下图接好电路。2.打开信号源及示波器电源

3.按auto键（下图蓝键）：在连续波强度、接受增益及频率调节都合适的情况下出现一条发射波形，一条接受波形。

实验的关键就在于通过观察波形的变化来调节信号发生器。当连续波强度和接受增益极小时，出现以下波形

4、适当调节连续波强度。按AUTO键自动调节波形，再调节接受增益

5、最后调节频率(范围大概在18~46KHz)。

当信号源频率越接近换能器谐振频率时(32—40KHZ)，接受信号越强，波形越大。(中间可按AUTO键来调整大小)

在调节频率过程中如信号很强会出现波形失真如图，可以调小连续波强度或接受增益。在频率达到某一数值，波形出现最大，继续调高或调小频率时都导致波形变小就说明此频率即为谐振频率，记录此时信号发生器频率读数，至此频率调节结束。二、共振法测波长。1、打开数显游标卡尺，单位转成mm。2、转动鼓轮将两换能器接近至60mm左右。

3、转动鼓轮将S2（接受换能器）缓慢离开S1（发射换能器），同时观察接收波形出现振幅极大值，记下此时距离，继续移动S2，依次记下各振幅极大时的值，共测量10个数据记入数据表。

将测试方法设置到连续方式。按前面实验内容A的方法，确定最佳工作频率。观察示波器，找到接收波形的最大值，记录幅度为最大时的距离，由数显尺上直接读出或在机械刻度上读出S2,记下X0

位置。然后，向着同方向转动距离调节鼓轮，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发生换能器的振动曲线波形相移），逐个记下振幅最大的X1，X2，…，单次测量的波长。用逐差法处理数据，即可得到波长。仪器连接

二、相位法测波长将波形调成李萨如图形，使用如下，按MENU键后选择时基X-Y模式即可。

将测试方法设置到连续波方式。确定最佳工作频率，单踪示波器接收波接到“Y1”，发射波接到“Y2”外触发端；双踪示波器接收波接到“CH1”，发射波接到“CH2”，打到“X-Y”显示方式，适当调节示波器，出现李萨如图形。转动距离调节鼓轮，观察波形为一第1象限到第3象限的斜线，记下上的位置，再向前或者向后（必须是一个方向）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360的相移。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X1,X2…，单次波长。多次测定用逐差法处理数据，即可得到波长。仪器连接

缓慢转动鼓轮使李萨如图成一直线，即相位差为的整数倍，记下此时距离，继续移动S2，依次记下出现直线时的值共测量10个数据记入数据表。

注意：如李萨如图形出现失真时，可同样调节连续波强度及接受增益使波形正常。实验数据及处理举例１．驻波法测量空气中的声速1）实验数据接收面位置接收面位置10.01623.2823.279.3124.73727.9323.209.3239.37832.5323.169.26413.97937.1023.139.25518.581041.8323.259.30平均值9.29

3）空气中