6超声波测声速.doc

实验6 用示波器测超声波在空气中的声速[学习重点] 1．用示波器测定声波（超声波）在空气中的传播速度，进一步熟悉示波器的使用；2．了解压电陶瓷在电声和声电转换中的应用原理、方法；从而学习一种非电量的电测法； 3．了解共振干渉及相位比较两种测量声波速度的原理；学习使用数字信号发生器[实验原理]声波是一种在弹性媒质中运动的机械波，当把空气作理想气体近似时，声波在空气中的传播过程可以认为是绝热过程，其传播速度可以表示为 (6-35-1)式中R是摩尔气体常数(8.314J.mol-1.K-1)；γ=Cp/Cv是比热容比;为分子量；ρ是气体密度；T为绝对温度；P为气体压强；B为声波传播媒质的容变弹性模量(扬氏模量) ,t为摄氏温度,T0=273.15K，为0C时的热力学温度在0C时，干燥空气中的声速为331.45m.s-1声波是机械波，产生与接收声波就是发射和接收机械波。

本实验,将使用压电陶瓷超声换能器（压电传感器）来实现非电量的电测,压电陶瓷超声换能器的结构如图6-35-1所示，其中3、4为压电陶瓷环它是将多晶结构的压电材料（如钛酸钡）制成圆环，经加热后在两侧加电压使之极化，并冷却到极化温度（约120C）以下，撤去电压后，极化电偶极矩能继续存在，称为压电陶瓷环，它具有一种独特的性能：如果在压电陶瓷环两侧加上与极化方向相同的电压，圆环就会产生纵向伸长（变厚），电压方向改变，圆环纵向收缩（变薄）；如果加交变电压，圆环产生纵向机械振动相反，如果压电陶瓷环受到纵向压缩，圆环两侧产生与极化方向相反的电压；如果纵向拉伸，则产生与极化方向相同的电压 4351672利用压电陶瓷环的特性，便可制作压电陶瓷超声换能器本实验采用的换能器，头部是用轻金属铝制成喇叭形圆柱，端面为平面，便于辐射和接收平面超声波，尾部制成平头圆锥，中间夹压电陶瓷环，用高强度黏合剂联结成整体，尾部和端面加有螺钉起电位连接和给压电陶瓷环预加应力的作用，以提高1. 头部 2.颈部、接地端 3、4.压电陶瓷环5.尾部 6.锣钉 7.电源引线Q值如图6-35-1所示，当压电陶瓷环两侧加上超声信号源时，头部即产生纵向机械振动，由端面辐射平面超声波（电声转换），当用换图6-35-1能器接收（检测）超声波时，受声压作用压电陶瓷环两侧产生交变电压（声电转换），用示波器或交流灵敏毫伏表可测量输出电压的大小。

压电换能器系统有一谐振频率f0当外加强迫力的频率等于谐振频率时，压电换能器产生机械谐振，此时得到电信号最强它作为接收器的灵敏度最高；当输入电信号使压电换能器产生机械谐振时，它的振幅最大，它作为波源的辐射功率就最大，本实验采用的压电换能器的谐振频率f0约35 ~ 45KHZ本实验将采用共振干涉法及相位比较法两种方法来测量超声波在空气中传播的速度两种方法都是通过测定超声波的波长λ和频率f来求得声速v实： v实 =λf（ms-1） （6-35-2）1. 共振干涉法（驻波法）实验装置如图6-35-2，图中Z1和Z2为压电陶瓷超声波换能器，Z1作为超声波（发射头），数字式函数信号发生器产生的正弦波信号输送到Z1，由于逆压电效应，发射头将发出一平面波Z2作为超声波的接收头，由于压电效应接收头将接收到的声压转换成电信号输入示波器观察假定发射面与接收面相对且平行，入射波经过空间传播到达接收面又垂直反射，则入射波与反射波相干形成驻波，两换能器的端面均为驻波波节因此当端面间的距离为半波长的整数倍时，两端面间的空气柱共振，在驻波波腹处，振幅有最大值。

声压变化最小，在波节处，振幅为零，声压的变化有最大值调节游标尺或测微螺旋改变接收换能器的位置，从示波器指示电压最大值的地方即为驻波波节缓慢改变接收换能器的位置，当示波器连续两次指示电压最大时，则接收换能器所改变的距离即等于λ/2根据函数信号发生器的频率f，由（6-35-2）式可计算声速v实 共振干涉法又称驻波法数字式函数信号发生器示波器Z1 Z2Y Xl图6-35-2 2.相位法相位法即行波法实验装置如图6-35-3所示，从Z1发出的超声波通过空气传播到达接收头Z2被接收，此接收波和发射波之间产生相位差，这相位差φ和角频率ω，传播时间t，声速v，频率f，距离l，波长λ之间有下列关系：φ= ωt =2πf l / v =2πl / λ因此，可以通过测φ来求得声速v v = 2πf l /φ （6-35-3）根据（6-35-3）式，实验上通过改变Z2与Z1间的距离l，观察位相差φ的变化显然，位相差φ每改变2π（增加或减少），相应的距离l改变一个波长示波器Z1 Z2Y X数字式函数信号发生器l图6-35-3我们可以通过示波器来观察位相差。

互相垂直的两谐振动的迭加，能得到李萨如图形如果两谐振动的频率相同，则李萨如图形就很简单随着两振动的位相差从0→2π变化，示波器荧光屏上就出现如图6-35-4所示的各种李萨如图形选择判断比较灵敏的，亦即李萨如图形为直线时对应的Z2位置为起点，Z2相对于Z1的距离每增加一个波长，就会重复出现同样斜率的直线实验上，我们通过观察“重复出现同样斜率的直线”，借助螺旋测微装置即能测得波长λ如果重复出现相同斜率的直线次数为n，则Z2相对Z1的距离改变nλ 图6-35-4超声换能器[实验仪器]本实验所用仪器如图6-35-5所示，有SW-1A型声速测量仪、DCY-3A型功率函数信号发生器、XJ4328型双踪示波SW-1A声速测量仪器等DCY-3功率函数信号发生器XJ4328示波器图6-35-5[实验步骤] 1.共振干涉法测声速按图6-35-2接好线路调节数字函数信号发生器的输出信号幅度及频率（要等于或接近压电陶瓷超声换能器共振频率f0确定声源（发射头）激励信号，并在测试过程中保持不变以示波器荧光屏上呈现正弦波振幅最大为准，这时两个换能头比较接近，记下l0及f0，然后测出正弦波振幅为极大连续出现n个后，Z 1与Z2相距ln，则所测波长λ=2 ( l n- l0 ) / n重复测量多次，求出v =`v Δvυ 2．相位法测声速按图6-35-3接好线路。

函数信号发生器与示波器的调整使用要求同共振干涉法选择荧光屏上呈现“直线形”李萨如图Z 1、Z2相近时的位置为起点，并记下间距l0及频率f0然后测出“同向李萨如图形”连续出现n个的Z1与Z2间距l n ，则所测波长为λ= (ln - l0 )/n ，用多次测量法，测量求得v =`v Δvυ 3. 测出实验室的温度t0C，按公式（6-35-1）计算当时超声波在空气中传播速度的理论值v理将两种方法得到的实验值与υ理比较，求出百分误差，并进行分析[思考题] 1.低频信号发生器的输出频率是否等于压电换能器的谐振频率，怎样进行检验？ 2.驻波法和位相法的测量原理是什么？两种方法各有什么特点？用这种方法能否测量光波在空气或其它介质中传播的速度？ 3。