利用超声波测量空气中的声速实验原理

实验四 用超声波测量声速

声速与传声媒质的特性及状态有关，因此通过声速的测量，可以了解被测媒质的特性及状态的变化，如可进行气体成分的分析，测定液体的比重，溶液的浓度，确定固体材料的弹性模量等。我们只研究声波在空气中的传播，并测量其传播速度。

实验目的：

1、测量声波在空气中的传播速度,学习测量声速的方法。2、加深对波的相位和波的干涉的理解。

实验仪器：

换能器（有两个，一个固定于超声声速测定仪上，一个随卡尺的游标移动）、专用信号源、超声声速

测定仪、示波器、连接线。

实验原理：

设波速为v,波长为λ和频率为ｆ，它们之间有如下关系： v＝λｆ （1）

因此，一般是根据（１）式,将声速的测量变成声波波长和声波频率的测量。由于都用交流电讯号控制发声器（即换能器），所以声波频率就是交流电讯号的频率， 可以用频率计测量其频率（本实验在信号源上直接读出），而声波波长的测量常用相位比较法（行波法）和共振干涉法（驻波法）来测量其波长。 一、 相位法

如图一所示，设声源从X=0处出发的平面简谐波沿X轴的正方向传播,在X=0处的振动方程为: Ｙ0＝Ａcosωｔ

液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、

实验目的

1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度 二、

实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、

实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为

N?y,t??N0??Ncos??st?Ksy?

式中ΔN是折射率的变化幅度；

液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、

实验目的

1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度 二、

实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、

实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为

N?y,t??N0??Ncos??st?Ksy?

式中ΔN是折射率的变化幅度；

超声波清洗的原理

由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械震动而传播到介质--清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区迅速闭合。在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成超过1000个大气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面净化的目的。相比其它多种的清洗方式，超声波清洗机显示出了巨大的优越性。尤其在专业化，集团化的生产企业中，已逐渐用超声波清洗机取代了传统浸洗、刷洗、压力冲洗、气相清洗和蒸气冲洗等工艺方法。超声波清洗机的高效率和高清洁度，得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波。所以很容易将带有复杂外形、内腔和细空的零部件清洗干净，对一般的除油、防锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也能达到高标准。这在许多对产品表面质量和生产率要求较高的场合，用其它处理方法难以达到目的，更突出地显示了超声清洗、超声处理的优越性和其不可取代的地位。

超声波清洗的作用机理主要有以

超声波测距原理:

超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·s－1

超声波的原理及应用实验论文,背景,实验原理,注意事项,应用拓展一应俱全。

题目：超声波的原理及应用

摘要：叙述了超声波的发展史，结合自己在物理中学习的超声波知识及查阅的相关资料对实验过程中涉及的知识点进一步强化，并且总结和反思了自己实验过程中的经验和不足，对实验的进一步完善提出了自己的想法。

关键词：实验理论和方法 实验现象及结果 实验中的不足及改进意见 超声波原理及应用拓展 背景：由于人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。由于超声波频率高，能量大，广泛应用于医学方面，例如利用超声波巨大的能量可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。 自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学

超声波原理图

超声波发射电路图

超声波电路主要是由反相器74LS04和超声波发射换能器T1构成的，使用CPU内部的PWM定时计数器输出的40KHZ方波信号。一路经一级反相器（U1C与U1E并联组成一级）后送到超声波换能器的一个电极（T1的1脚）；另一路经两级反相器（U1D为第一级，U1B和U1A组成第二级）后送到超声波换能器的另一个电极（T1的2脚）。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反相器并联，以提高驱动能力。上位电阻R1,R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果。

超声波接收电路图

超声波原理图

超声波接收电路原理图如图所示，CX20106A是一款红外检测波接收 的专业芯片，常用于电视机红外遥控接收器。其优点是简单易用，电路连接简单，且减小了生产调试的麻烦。当CX20106A接收到40KHZ的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接收到ARM的外部中断引脚作为中断信号输出。

超声波的频率就是声源振动的频率。所谓振动频率，就是每秒来回往复运动的次数，单位是赫兹，简称赫。波是振动的传播，即把振动按原有的频率传递出去。所以波的频率就是声源振动的频率。波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz~20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能

◆超声波常识：

超声波的频率就是声源振动的频率。所谓振动频率，就是每秒来回往复运动的次数，单位是赫兹，简称赫。波是振动的传播，即把振动按原有的频率传递出去。所以波的频率就是声源振动的频率。波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz~20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能力强，这也就是为什么设计制作超声波清洗机的原因。

◆基本原理：

超声波清洗机之所以能够起到清洗污垢的作用，其过程是由下列引起的：空化、声流、声的辐射压力和声学毛细效应。

在清洗过程中，不洁物的表面会产生表面污垢膜的破坏、剥落、分离以及乳化、溶解等现象。不

2002年第2期总第110期

文章编号:1001-8948(2002)02-0041-03

炭　　素CARBON

·41·

炭制品的均质质量与超声波声速检测

李　平,于立群,李婉秋

1

2

1

(1.哈尔滨电炭研究所;2.哈尔滨电炭厂,哈尔滨　150030)

摘要:分析了炭制品的均质结构及其影响因素,概述了超声波在炭制品中的传播情况及在炭制品均质结构检测中特点。介绍了独联体国家利用超声波声速对石墨电极进行检测的情况。认为超声波声速检测手段应用

在炭制品均质结构的检测方面是可行的,也是目前炭制品均质结构的一种简便易行和经济有效的检测方法。关键词:炭制品;均质结构;超声波声速;检测中图分类号:　TQ175.714　　文献标识码:　A

+

MEASUREMENTFORHOMOGENEOUSQUALITYAND

ULTRASONICSPEEDOFCARBONPRODUCT

LIPing1,YULi-qun2,LIWan-qiu1

(1HarbinElectricalCarbonResearchInstituteHarbin150030,China;

2HarbinElectricalCarbonplant,Harbin150030,China)

Abstract:Thehomogene

2002年第2期总第110期

文章编号:1001-8948(2002)02-0041-03

炭　　素CARBON

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炭制品的均质质量与超声波声速检测

李　平,于立群,李婉秋

1

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(1.哈尔滨电炭研究所;2.哈尔滨电炭厂,哈尔滨　150030)

摘要:分析了炭制品的均质结构及其影响因素,概述了超声波在炭制品中的传播情况及在炭制品均质结构检测中特点。介绍了独联体国家利用超声波声速对石墨电极进行检测的情况。认为超声波声速检测手段应用

在炭制品均质结构的检测方面是可行的,也是目前炭制品均质结构的一种简便易行和经济有效的检测方法。关键词:炭制品;均质结构;超声波声速;检测中图分类号:　TQ175.714　　文献标识码:　A

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MEASUREMENTFORHOMOGENEOUSQUALITYAND

ULTRASONICSPEEDOFCARBONPRODUCT

LIPing1,YULi-qun2,LIWan-qiu1

(1HarbinElectricalCarbonResearchInstituteHarbin150030,China;

2HarbinElectricalCarbonplant,Harbin150030,China)

Abstract:Thehomogene