声 速 的 测 量(超声波法)

声速的测量（超声波法）声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。声波在媒质中传播时，声速，声强等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以测知媒质的特性及状态变化。例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量：气体、液体的比重、成分等参量。在同一媒质中，声速基本与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹，声速变化不到万分之二。由于超声波具有波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。声速的测量方法可分为两类；第一类方法是直接根据关系式v＝S/t，测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，称为“时差法”。第二类方法是利用波长频率关系式v＝fλ,测量出频率f和波长λ来计算出声速。【实验目的】1．了解超声换能器的工作原理和功能2．学习不同方法测定声速的原理的技术3．熟悉测量仪和示波器的调节使用4．测定声波在空气及水中的传播速度【实验仪器】QSSV-2型声速测定实验仪、示波器【实验原理】一、声速在空气中的传播速度在理想气体中声波的传播速度为（1）式中=Cp/Cv称为比热比，即气体定压比热容与定容比热容的比值，是气体的摩尔质量，Ｔ是绝对温度，Ｒ＝J/moL•K为普适气体常数。由(1)式可见，声速与温度有关，又与摩尔质量及比热比有关，后两个因素与气体成分有关因此，测定声速可以推算出气体的一些参量。利用（1）式的函数关系还可制成声速温度计。在正常情况下，干燥空气成分按重量比为氮：氧：氩：二氧化碳＝:::。它的平均摩尔质量为＝×10-3kg/moL在标准状态下，干燥空气中的声速为=m/S。在温室t℃下，干燥空气中的声速为（2）式中Ｔ0＝K。由于空气实际上并不是干燥的，总含有一些水蒸气，经过对空气平均摩尔质量和比热比的修正，在温度为t、相对温度为t0的空气中，声速为（3）式中为t℃时空气的饱的和蒸气压，可从饱和蒸气压、蒸气压和温度的关系表中查出；Ｐ为大气压，取P=×105Pa即可；相对温度r可从干湿温度计上读出。由这些气体参量可以计算出声速，故（3）式可作为空气中声速的理化计算公式。二、测量声速的实验方法声速的传播速度v与声波频率f和波长λ的关系为v=fλ（4）测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可通过测量声源的振动频率得出，剩下的任务就是测声波波长，也就是本实验的主要任务。波长可用下面两种方法测出：1．相位法：波是振动状态的传播，也可以说相位传播。沿传播方向上的任何两点、如果其振动状态相同（同相）或者说其相位差为2π的整数倍，这时两点间的距离应等于波长λ的整数倍，即Ｌ＝nλ(n为－正整数)（5）利用这个公式可精确地测量波长。图1用双踪示波器测波长示意图由于发射器发出的是近似于平面波的声波，当接收器垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置使得接收的信号与发射器激励信号同相。继续移动接收器，直到接收的信号再一次和发放射器的激励电信号同相时，移过的这段距离必然等于声波的波长①为了判断相位差并且测定波长。可以利用双踪示波器直接比较发射器的信号和接收器的信号，同时沿传播方向移动接收器寻找同相点测出波长。如图１所示：②李萨如图形法，如图2所示，利用图形寻找同相或反相时椭圆退化为右或左斜直线的点，其优点是直斜线情况判断相位差最为敏锐。其接线方法同图1a所示。 图2用李萨如图形法测波长图3共振法测量2．共振法：到达接收器的声波，一部分被接收并在接收器电极上有电压输出，一部分被向发射器方向反射。由波的干涉理论可知，两列反向传播的同频率波干涉形成驻波，驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅最小的点称为波节，任何两个相邻波腹（或两个相邻波节）之间的距离都等于半个波长。改变两只换能器间的距离，同时用示波器监测接收器上的输出电压幅度变化，可观察到电压幅度随距离周期性的变化，记录下相邻两次出现最大电压数值时游标尺的读数．两读数之差的绝对值应等于声波波长的二分之一。ΔX=已知声波频率并测出波长，即可计算声速。实际测量中为提高测量精度，可连续6-7次测量并用逐差法处理数据。【实验装置】实验仪由超声实验装置和声速测定仪(即信号源，放大器)，如图4所示。实验时将实验装置与信号源按图4接连，将接收监测端口连接到示波器的Ｙ输入端。图4实验装置图超声实验装置中发射器固定，摇动丝杆摇柄可使接收器前后移动，以改变发射器与接收器的距离。丝杆上方安装有数字游标尺(可准确显示位移量。整个装置可方便的装入或拿出水槽。声速测定仪具有调节、输出超声发射器驱动信号；接收、放大处理超声接收器信号；显示相关参数；提供发射监测和接收监测端口连接到示波器等其它功能。QSSV-２型超声波声速测定仪各键功能：1．频率显示窗口：6位LED数码管显示，显示本机频率单位：KHz；2．电源开关键。3．频率调节旋钮：用来调节信号源输出频率的大小；4．输出强度旋钮：调节信号源输出频率幅值大小；5．波形接收座：接收超声波接收器的信号，送至机内放大器，进行信号调制。6．输出CH2座：将放大调制后的信号输出至示波器；7．波形输出座：将本机信号源发生的频率信号送超声波发射器；8．输出CH1座：将本机内信号源信号送至示波器。声速测量仪是利用压电体的逆压电效应，即在信号发生器产生的交变电压下，使压电体产生机械振动，而在空气中激发出声波，本仪器是采用锆钛酸铅制成的压电陶瓷管，或称压电换能器，将它粘接在合金铝制成的阶梯形变幅杆上，再将它们与信号发生器连接组成声波图5声波发生器发生器。(如图5）所示。当压电陶瓷处于一交变电场时，会发生周期性的伸长与缩短。当交变电场频率与压电陶瓷管的固有频率相同时振幅最大。这个振动又被传递给变幅杆，使它产生沿轴向的振动，于是变幅杆的端面在空气中激发出声波。本仪器的压电陶瓷的振荡频率在40KHz左右，相应的超声波波长约几毫米。由于它的波长短，定向发射性能好，本超声波发射器是比较理想的波源。变幅杆端面直径为扩大直径另加一个环形薄片比波长大很多，可近似地在发射面远处的声波看成是平面板，转化成电振动，为使此电振动增强。特加一选频放大器加以放大，再经屏蔽线输出给示波器观测，接收器安装在可移动的机构上，这个机构包括支架、丝杆、可移动底座，其上装有指针，并通过定位螺母套在丝杆上，由丝杆带动作平移带刻度的手轮等。接收器的位置由主、标尺刻度手轮的位置决定。【主要技术参数】1．压电晶体共振频率：40KHz左右1．测量范围：0-300mm±3．信号源频率范围：15KHz～50KHz;4．频率显示：6位LED数码管显示5．波形输出电压：10Vp-p6．最大输出功率：≥5Ｗ7．放大器放大倍数：100倍【实验内容与步骤】1．用共振法测量空气中的声速将实验装置与信号源按图１a连接，将接收监测端口CH２连接到示波器的Ｙ输入端，CH１暂不连接，开机预热10分钟。调节信号源频率调节旋钮至40KHz左右，〈即换能器谐振频率〉，当示波器监测到的接收信号振幅最大时，换能器之间频率匹配最好，换能器谐振，记录下此时谐振频率f。此后实验中保持频率不变。摇动超声实验装置丝杆摇柄，在发射器与接收器距离5厘米附近处，找到共振位置（振幅最大），作为第1个测量点。按数字游标尺的归零(ZERO）键，使该点位置为零(对于机械游标尺而言，此时的标尺示值作始点)。摇动摇柄使接收器远离发射器，每到共振位置均记录位置读数，共记录10表1测量次数ⅰ12345678910平均值位置(mm)波长(mm)Ｖ共振＝f0×λ平均＝m/sE=(Ｖ共振-Ｖ理论)／Ｖ理论=_____%2．用相位比较法测量空气中的声速将信号源的发射监测接到示波器的Ｘ输入端，使示波器工作在Ｘ－Ｙ状态。信号源频率保持不变。在发射器与接收器距离为5厘米附近处，找到ΔФ＝0的点，作为第1个测量点。按数字游标尺的归零(ZERO)键，使该点位置为零（对于机械游标尺而言，以此时的标尺示值作始点）。摇动摇柄使接收器远离发射器，每到ΔФ＝0时均记录位置读数，共记录10组数据于表2中。表2测量次数ⅰ12345678910平均值位置(mm)波长(mm)v相位＝f0×λ平均＝＿＿＿＿m/sE=(v相位-v理论)／v理论=_____%3．用相位比较法测量水中声速测量水中的声速时，将实验装置整体放入水槽中，槽中的水高于换能器顶部1-2厘米。接收器移动过程中若接收信号振幅衰减较大影响测量，可调节示波器Ｙ衰减旋钮。由于水中声波长约为空气中的5倍，为缩短行程，可在ΔФ＝0,π处均进行测量，共记录8组数据于表3表3T0=℃测量次数ⅰ12345678平均值位置(mm)波长(mm