声速的测量

qinsdau

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内容。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。　

声速的测量方法可以分为两大类。一类是根据运动学理论v=L/t，通过测量传播距离L和时间间隔t得到声速v；另一类是根据波动理论v=fλ，通过测量声波的频率f和波长λ得到声速v。　

实验中使用的驻波法和相位比较法这两种测量方法，在声学、电磁场与电磁波、光学等领域都有着重要应用。　

“声速的测量”是一个综合性声学实验。实验中采用压电陶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内容：（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李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。

    这是一个综合性实验，难度系数1.00，适合于各专业的学生选做。实验操作和数据处理过程都比较简单，但对于没有使用过示波器的同学，学会和熟悉示波器的使用需要一定的时间，而且要真正理解测量原理需要有较好的波的振动和叠加方面的理论基础。

  

实验内容

1、连接测量系统。函数信号发生器的输出与发射换能器和示波器的X（Y2）输入并联连接，接收换能器的输出与示波器的Y1输入连接。　

2、练习使用函数信号发生器和示波器。

  （1）用示波器观察由信号发生器提供的不同的波形信号。

  （2）用示波器观察李萨如图形。　

3、调节谐振频率。信号发生器输出正弦信号，频率调节到换能器的谐振频率,记下谐振频率f。这时，换能器发射出的超声波最强。　

4、利用驻波法测量声速。

  （1）信号发生器输出频率处于谐振频率；示波器Y轴工作方式选择开关置于Y1，“拉Y1 （X）”旋钮推进。

  （2）从两换能器相距1cm左右开始，由近及远移动接收换能器，观察示波器上的接收信号的变化情况，记下第1、2、3、……、20个出现正弦波极大值时接收换能器的位置即游标卡尺的读数L1、L2、L3、……、L20。

  （3）采用逐差法求出波长λ，进而求出声速v；计算声速的不确定度，表示测量结果。　

5、利用相位比较法测量声速。

  （1）信号发生器输出频率处于谐振频率；示波器Y轴工作方式选择开关可以置于任意位置，“拉Y1（X）”旋钮拉出。

  （2）从两换能器相距1cm左右开始，由近及远移动接收换能器，观察示波器上李萨如图形的变化情况，记下第1、2、3、……、20个出现直线时接收换能器的位置即游标卡尺的读数L1、L2、L3、……、L20。

  （3）采用逐差法求出波长λ，进而求出声速v；计算声速的不确定度，表示测量结果。

  

仪器简介

1、超声声速测定仪:主要由两个超声压电换能器和游标卡尺组成；超声压电换能器可以实现声

   压和电压之间的相互转换，分别用于发射和接收超声波；游标卡尺用来测量声波发射面和接

   收面之间的距离。

2、函数信号发生器：提供适当频率的正弦电信号给压电换能器来发射超声波。

3、双踪示波器：

  （1）观察和测量接收换能器将声压转换成的电信号；

  （2）观察发射电信号和接收电信号两个相互垂直简谐振动叠加产生的李萨如图形，测量相位差。

  

                               
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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、了解形成驻波和李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。

5、熟悉实验的具体内容。

6、列出测量数据记录表。

  

问题解答

1、实验中为什么要在超声换能器谐振状态下测量？

在谐振状态下超声换能器的纵向伸缩幅度大，发射的声波强；接收换能器接收的声压大，输出的电信号强。这样，可以提高测量的灵敏度，较为准确的确定驻波的波节，有利于准确地测量声波的波长。

　

2、实验中怎样找到超声换能器的谐振频率？

实验中所使用的超声换能器的谐振频率在30～40kHz之间，可以通过以下两种方法找到换能器的谐振频率。

  （1）方法一：根据发射换能器的谐振指示灯调节

逆时针调节函数信号发生器的“电源开关幅度调节”（AMPLITUDE POWER）旋钮，调节到约为最大位置的三分之二。在输出频率30～40kHz范围内仔细调节“频率微调” （FINE）旋钮，使声波发射换能器旁边的指示灯点亮。这时，信号发生器的输出频率即为换能器的谐振频率。

  （2）方法二：根据接收换能器的输出信号调节

调节两换能器发射面和接收面之间的距离约为1cm左右，用示波器观察接收换能器的输出信号，在输出频率30～40kHz范围内仔细调节函数信号发生器的“频率微调”（FINE）旋钮，使接收换能器的输出电压信号最大。此时，信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率。　

3、相位比较法测量声速时，怎样才能在示波器上观察到李萨如图形？选择什么样的李萨如图形进行测量？采用相位比较法进行测量时需要判断相位差，通过示波器观察李萨如图形可以判断相位差。李萨如图形可以由两个相互垂直的简谐振动的叠加形成。因此，为了在示波器上观察到李萨如图形，发射换能器的输入信号和接收换能器的输出信号必须一个作为示波器的“Y”输入，另一个作为“X”输入。实验中，可以将发射换能器的输入信号接示波器的“Y”输入；将“拉Y1（X）”旋钮拉出，接收换能器的输出信号接“X”输入。适当调节Y1 和Y2两个通道的灵敏度选择开关以及“X”和“Y”位移旋钮，可以在示波器上观察到完整的李萨如图形。实验中由于输入示波器的是频率严格一致两个信号，因此李萨如图形一般是稳定的椭圆。当相位差为0或π时，椭圆变为倾斜的直线。测量时选择判断比较灵敏的直线形李萨如图形进行测量。以某一个直线位置作为测量的起点，相位差每变化π即距离变化半个波长，李萨如图形从斜率为正或负的直线变为负或正的直线。

  

思考讨论

1、驻波法测量声速的原理和方法是什么？

2、相位比较法测量声速的原理和方法是什么？

3、实验中信号发生器和示波器各起什么作用？

4、实验中通过什么来发射和接收声波？

5、实验中为什么要在压电换能器谐振状态下测量空气中的声速？

6、实验时怎样找到超声换能器的谐振频率？

7、实验中为什么要使换能器发射面和接受面要保持相互平行？

8、实验中怎样才能知道接收换能器接收面的声压为极大值？

9、实验中为什么要记录室温？

10、本实验采用逐差法处理数据有什么好处？

注意事项

1、必须仔细阅读教材中各仪器说明书，熟悉个旋钮的功能，方可进行调节。

2、信号发射器的信号输出幅度不要过大，避免仪器过热而损坏。

3、调节仪器旋钮要轻缓，以免损坏。

4、实验时要使函数信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率，并且在实验过程中保持不变。

5、使用游标尺测量移动距离时，必须轻而缓慢地调节，手勿压游标尺。

6、换能器发射面和接受面要保持相互平行。