SV3声速测定实验讲义 2 - 图文

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20Hz的声波称为次声波；频率在

20Hz~20kHz的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在20kHz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V、波长?和频率f之间存在着下列关系：V?f?，实验中可通过测定声波的波长?和频率f来求得声速V。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。

声波传播的距离L与传播的时间t存在下列关系：L?Vt ，只要测出L和t就可测出声波传播的速度V，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：

F1?Acos(? t?2?X/?)、波束2：F2?Acos?? t?2?X/??，当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：F3?2Acos?2?X/??cos? t，这里?为声波的角频率， t为经过的时间，X为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按cos?2?X/??变化。如图1所示。 压电陶瓷换能器S1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S2则作为声波的接收器，正压

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电效应将接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S1发出的声波，经介质传播到S2，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（S2）与发射面（S1）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S2处的振动情况。移动S2位置（即改变S1与S2之间的距离），你从示波器显示上会发现当S2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?/2。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S1和S2之间的距离。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S2移动过的距离亦为?/2。超声换能器S2至S1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S2的位置变化及声波频率f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S1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F1?F01cos? t

距声源X处S2接收到的振动为F2?F02cos?(t?两处振动的相位差 ????X) YX ， Y合振动为一斜率为正的直线，当X??2n?1??/2，即????2n?1??时，合振动为一斜率为负的直线，当X为其它值时，合成振动为椭圆（如图2）。

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当把S1和S2的信号分别输入到示波器X轴和Y轴，那么当X?n?即???2n?时，

【实验仪器】

实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的SV3型声速测定仪及SV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 S1固定在支架的左边，另一只接收换能器S2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 。

S1发射换能器超声波的正弦电压信号由SV声速测定专用信号源供给，换能器S2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4。

图4

二．谐振频率的调节:

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Y1，调节示波器，能清楚地观察到同

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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15VP?P左右，然后将换能器的接收信号接至示波器Y1，调整信号频率

?35kHz~45kHz?，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（35kHz~41kHz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S1、S2相匹配频率点，记录此频率fi 。 3．改变S1、S2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5次取平均频率f。 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S2的位置X0 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X1，X2，…X9共10个点，单次测量的波长?i?2Xi?Xi?1 。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“Y2”端；接收换能器输出接到“Y1”，功能转换到“X?Y” 显示方式，适当调节示波器，出现李萨如图形。移动S2，观察波形为一定角度的斜线，记下S2的位置X0，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S2的振动波形发生了2?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，?X9。单次波长?i?2Xi?Xi?1 。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S?，

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