聲速測量

1、聲速測定,聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波，它是縱波，其振動方向與傳播方向相一致。頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波；頻率在20Hz-20kHz的聲波可以被人聽到，稱為可聞聲波；頻率在20kHz以上的聲波稱為超聲波。,超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)等因素有關(guān)。因而通過媒質(zhì)中聲速的測定，可以了解媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化。例如，測量氯氣、蔗糖等氣體或溶液的濃度、氯丁橡膠乳液的比重以及輸油管中不同油晶的分界面等等，這些問題都可以

2、通過測定這些物質(zhì)中的聲速來解決。通過媒質(zhì)中聲速的測量，可以了解被測媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化，因而聲速測量有非常廣泛的應(yīng)用，如無損檢測、測距和定位、測氣體溫度的瞬間變化、測液體的流速、測材料的彈性模量等。,測量聲速的意義,[ 實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯,1．本實(shí)驗(yàn)是“陰極射線示波器”實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)和深入。使用的熟悉程度。通過本實(shí)驗(yàn)將檢驗(yàn)學(xué)生對示波器2．了解壓電換能器的功能，加深對駐波及振動合成等理論知識的理解。3．學(xué)習(xí)用共振干涉法和相位比較法測定超聲波在空氣

3、中的傳播速度。4. 掌握用逐差法處理數(shù)據(jù)的方法。,【實(shí)驗(yàn)儀器介紹】,SVX-5聲速測試儀信號源,“信號頻率”用于調(diào)節(jié)輸出信號的頻率；“發(fā)射強(qiáng)度”用于調(diào)節(jié)輸出信號電功率；“接受增益”用于調(diào)節(jié)內(nèi)部的接受增益?！皽y試方法”設(shè)置在“連續(xù)波”方式時，面板左上方顯示窗顯示頻率（kHz）；設(shè)置在“脈沖波”方式時，顯示窗顯示時間（μs）。當(dāng)測量系統(tǒng)處于共振狀態(tài)時，面板左下角“信號指示燈”應(yīng)亮 ，并且在測量過程中應(yīng)一直保持亮。,壓電陶瓷超聲換能

4、器的工作原理在聲速測量中，采用壓電陶瓷超聲換能器作為聲波的發(fā)射器和接收器。聲速測量儀中換能器S1作為聲波的發(fā)射器是利用了壓電材料的逆壓電效應(yīng)。壓電陶瓷片在交流電壓作用下，發(fā)生縱向機(jī)械振動，在空氣中激發(fā)超聲波。換能器S2作為聲波的接收器是利用了壓電材料的壓電效應(yīng)?？諝獾恼駝邮箟弘娞沾善l(fā)生機(jī)械形變，從而產(chǎn)生電場，把聲信號轉(zhuǎn)變成了電信號。,1.基本原理,聲速 若固定頻率為f=f0（共振頻率），通過波長λ測量，即可求得聲速 v。

5、本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷超聲換能器來實(shí)現(xiàn)聲波和交流電壓間的轉(zhuǎn)換。當(dāng) 電信號的頻率與換能器的固有振動頻率相等時，其輸出能量最大。,2．共振干涉法,圖中S1和S2，為壓電陶瓷超聲換能器，S1作為超聲源(發(fā)射)，低頻信號發(fā)生器發(fā)出的正弦電壓信號接到換能器后，即能發(fā)出一平面聲波。S2作為超聲波的接收頭，接收的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號后輸入示波器觀察，S2在接收超聲波的同時還反射一部分超聲波。,由S1發(fā)出的超聲波和由S2反射的超聲波在S1，S2之間的區(qū)域干涉

6、而形成駐波。可以證明，相鄰兩極大值之間的距離為半波長λ/2整數(shù)倍時，接收面S2上的聲壓達(dá)到極大值。具此我們就能得到超聲波的波長。再由XD—X型低頻信號發(fā)生器讀出超聲源的頻率 f 就可計(jì)算出聲速。,移動S2，觀察示波器顯示的正弦波振幅變化，用游標(biāo)尺讀出振幅極大值S2所在位置li。不斷移動S2，連續(xù)讀出20個相鄰的振幅極大位置。,實(shí)驗(yàn)測量,低頻信號發(fā)生器,游標(biāo)尺,示波器,3.相位比較法,從S1發(fā)出的正弦波與S2收到的正弦波之間的相位差為

7、 φ=ωt =2πf/v=2π l /λS1與S2之間變化一個波長λ，φ相位差變化，示波器上所觀察到的李薩如圖隨之變化一個周期。,李薩如圖隨相位的變化,圖 形,相位差,【數(shù)據(jù)處理及作業(yè)】,1．列表記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2．計(jì)算空氣中聲速的最佳估計(jì)值，合成不確定度u、相對不確定度和百分偏差。（1）逐差法處理數(shù)據(jù)。（2）計(jì)算聲速的不確定度u和相對不確定度。（3）正確表示測量結(jié)果（要求值信概率P=0