大学物理实验:超声声速测定
更新时间:2023-04-20 06:49:01 阅读量: 实用文档 文档下载
超声声速测定
声波特性的测量,如频率、波长、声速、声压衰减、相位等,是声波检测技术中的重要容。特别是声速的测量,不仅可以了解媒质的特性而且还可以了解媒质的状态变化,在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的实用意义。例如,声波测井、声波测量气体或液体的浓度和比重、声波测量输油管中不同油品的分界面等等。
“声速的测量”是一个综合性声学实验。实验中采用压电瓷超声换能器通过驻波法(共振干涉法)和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度,这是一个非电量电测方法的应用。通过这个实验可以重点学习如下容:(1)实验方法:非电量的电测方法;测量声速的驻波法和相位比较法。(2)测量方法:利用示波器测量电信号的极大值和观察萨如图形测量相位差的方法。(3)数据处理方法:求声波波长的逐差法。(4)仪器调整使用方法:双踪示波器和函数信号发生器的正确调节和使用方法。
【实验目的】
1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。
2.了解压电换能器的功能。
3.学习用逐差法处理数据。
【实验仪器】
SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等
【实验原理】
频率介于20Hz ~20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波,介于20kHz ~500MHz 的称为超声波,超声波的传播速度就是声波的传播速度,而超声波具有波长短,易于定向发射和会聚等优点,声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz ~60kHz 之间。在此频率围,采用压电瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。
根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ,其中υ为波速, λ为波长,f 为频率。
图4-5-1共振法测量声速实验装置
在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。声波的频率f 可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。
图4-5-2 相位比较法测量声速实验装置
1.相位比较法
实验装置接线如图4-5-2所示,置示波器功能于X -Y 方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2,合成振动方程为:
22见图长λS1、2.共振干涉(驻波)法测声速
由声源S 1发出的声波(频率为f ),经介质(空气)传播到S 2,S 2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果接收面(S 2)与发射面(S 1)严格平行,入射波即在接收面上垂直反射,入射波与反射波相干涉形成驻波。反射面处是位移的波节,声压的波腹。改变接收器与发射源之间的距离L ,在一系列特定的距离上,空气中出现稳定的驻波共振现象。此时L 等于半波长的整数倍,驻波的幅度达到极大;同时,在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。通过压电转换,产生的电信号的电压值也最大(示波器显示波形的幅值最大)。因此,若保持频率不变,通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离ΔL ,即可得到该波的波长λ(λ=2Δx ),并用f ?=λυ计算出声速。
3. 压电瓷换能器
压电瓷换能器是由压电瓷片和轻重两种金属组成。
压电瓷换能器根据它的工作方式,可分为纵向(振动)换能器、径向(振动)换能器及弯曲振动换能器。图4-5-4所示为纵向换能器的结构简图。
【实验容及步骤】
1.声速测试仪系统的连接与调试
接通电源,信号源自动工作在连续波方式,选择的介质为空气的初始状态,预热15min。声速测试仪和声速测试仪信号源及双踪示波器之间的连接如图4-5-2所示。
1)测试架上的换能器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端换能器接口(S1),用于输出相应频率的功率信号,接至测试架左边的发射换能器(S1);仪器面板上的接收端的换能器接口(S2),请连接测试架右边的接收换能器(S2)。
2)示波器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端的发射波形(Y1),接至双踪示波器的CH1(X),用于观察发射波形;信号源面板上的接收端的接收波形(Y2),接至双踪示波器的CH2(Y),用于观察接收波形。
2.共振频率的调试测量
只有当换能器S1和S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果;为了得到较清晰的接收波形,应将外加的驱动信号频率调节到发射换能器S1谐振频率点处,才能较好地进行声能与电能的相互转换,提高测量精度,以得到较好的实验效果。
超声换能器工作状态的调节方法如下:各仪器都正常工作以后,首先调节声速测试仪信号源输出电压(100mV~500mV之间),调节信号频率(在25~45kHz),观察频率调整时接收波的电压幅度变化,在某一频率点处(34.5~37.5kHz之间)电压幅度最大,同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮,此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点,记录频率νi ,改变S1和S2之间的距离,适当选择位置(即:至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置),再微调信号频率,如此重复调整,再次测定工作频率,共测5次,取平均值 0 。
3.用相位比较法(萨如图形)测量波长
1) 将测试方法设置到连续波方式,连好线路,把声速测试仪信号源调到最佳工作频率f。
2)调节示波器:把“扫描时间”旋扭旋至“X-Y”方式;
3)移动S2,依次记下示波器上波形由图3中(a)变为图4-5-3中(e)时,读数标尺位置的读数L1、L2…共10个值;
4)记下室温t;
5)用逐差法处理数据。
4.干涉法(驻波法)测量波长
1) 按图4-5-1所示连接好电路;
2) 将测试方法设置到连续波方式,把声速测试仪信号源调到共振工作频率(根据共振特点观察波幅变化进行调节)。
3) 在共振频率下,将S2移近S1处,依次记下各振幅最大时的读数标尺位置L1、L2…共10个值;
4) 记下室温t ;
5) 用逐差法处理数据。
【数据记录及处理】 1. 驻波法
t= 0C v 0=331.45m/s f = Hz
5
∑?=
?i
l
l 5
2l ??
=λ λυ?=f 15.273100t v +=υ
0υυυ-=? %1000
??=
υυ
υE
2. 相位法
t= 0C =0v 331.45m/s f = Hz
5
∑?=
?i
l
l 5
2l ??
=λ λυ?=f 15.273100t
v +=υ
0υυυ-=? %1000
??=
υυ
υE
【预习要求】
1、理解驻波法和相位比较法测量声速的基本原理。
2、了解形成驻波和萨如图形的基本理论。
3、了解函数信号发生器和示波器的调整和使用方法。
4、理解测量波长的驻波法和相位比较法。
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