超聲波波速測量

SV5型聲速測量組合儀及SV5型聲速測定專用信號源，示波器，300mm游標(biāo)卡尺一把。

(1)示波器POWER開關(guān)置ON，調(diào)節(jié)亮度(INTENSITY)和聚焦(FOCUS)，使波形清晰。

(2)觸發(fā)源(TRIG. SOURCE)開關(guān)置INT， 觸發(fā)方式(TRIG.MODE)開關(guān)置AUTO，觸發(fā)電平(TRIG.LEVEL)右旋至鎖定(LOCK)狀態(tài)。

(3)聲速測量時，專用信號源、測試儀、示波器之間的連接方法見圖9-4。

(1)將測試方法設(shè)置到連續(xù)方式，按圖9-4(a)所示連好線。按下CH1開關(guān)，調(diào)節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號。

(2)調(diào)節(jié)專用信號源上的 "發(fā)射強度"旋鈕，使其輸出電壓在20VP-P左右，然后將換能器測試儀接線盒上的接收端接至示波器，將兩聲能轉(zhuǎn)換探頭靠近，按下CH2開關(guān)，調(diào)整信號頻率，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處(34.5kHz~39.5kHz之間，因不同的換能器或介質(zhì)而異)電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配的頻率點。

(3)改變S1、S2的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調(diào)節(jié)正弦信號頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達(dá)到最大值。記錄此頻率f。

(1)將S2移動接近S1處(注意不要接觸)，再緩緩地移動S2，當(dāng)示波器上出現(xiàn)振幅信號時時，記下位置x0。

(2)由近而遠(yuǎn)改變接收器S2的位置， 可觀察到正弦波形發(fā)生周期性的變化, 逐個記下振幅最大的x1，x2 ，…，x9共10個點。

(1)在共振干涉法實驗的基礎(chǔ)上, 將示波器的X-Y控制鍵按下, 即可觀察到橢圓。

(2)使S2稍靠攏S1，然后再慢慢地移離S2，當(dāng)示波器屏上出現(xiàn)斜率為正的直線時，記

下S2的位置 。

(3)移動S2，依次記下示波器上斜率負(fù)、 正變化的直線出現(xiàn)時S2的對應(yīng)位置 、 、… 。

(4)記下實驗室溫度t?！?/p>

將測試方法設(shè)置到脈沖波方式，按圖9-4(b)所示連好線。將S1和S2之間的距離調(diào)到一定距離(≥50mm)，再調(diào)節(jié)接收增益，使示波器上顯示的接收波信號幅度在400mV左右(峰-峰值)，以使計時器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值Li、ti(時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出)。移動S2，同時調(diào)節(jié)接收增益，使接收波信號幅度始終保持一致。每隔10.00mm記錄下顯示的時間值L1、ti共10個點。

當(dāng)使用液體為介質(zhì)測試聲速時，先在測試槽中注入液體，直到把換能器完全浸沒，但不能超過液面線。然后將信號源面板上的介質(zhì)選擇鍵切換至"液體"，并將連線接至插入接線盒的"液體"接線孔中，即可進(jìn)行測試，步驟與上相同。

記下介質(zhì)溫度t℃。

(1)空氣介質(zhì)

測量空氣聲速時,將專用信號源上的"聲速傳播介質(zhì)"置于"空氣"位置，換能器的發(fā)射源(帶有轉(zhuǎn)軸)用緊定螺釘固定，然后將話筒插頭插入接線盒中的插座中。

可將S2(接收換能器)轉(zhuǎn)動到與S1(發(fā)射換能器)相隔1mm處(兩換能器喇叭形平面)，不要相碰，開啟數(shù)字顯示表頭電源，并置0，即可進(jìn)行測量。

(2)液體介質(zhì)

在儲液槽中注入液體，直至將換能器完全浸沒，但不能超過液面線。注意:在注入液體時，不能將液體淋在數(shù)字顯示表頭上。將專用信號源上的"聲速傳播介質(zhì)"置于"液體"位置，換能器的連接端應(yīng)在接線盒上的"液體"專用插座上。

測量液體聲速時，由于在液體中聲波的衰減較小，因而存在較大的回波疊加，并且在相同頻率的情況下，其波長 要大得多，用駐波法和相位法測量時可能會有較大的誤差，所以建議采用時差法測量。

(3)固體介質(zhì)

測量非金屬(有機玻璃棒)、金屬(黃銅棒)固體介質(zhì)時，將專用信號源上的"測試方法"置于"脈沖波"位置，"聲速傳播介質(zhì)"按測試材質(zhì)的不同，置于"非金屬"或"金屬"位置。將待測的測試棒的一端面小螺柱旋入接收換能器螺孔內(nèi)，再將另一端面的小螺柱旋入能旋轉(zhuǎn)的發(fā)射換能器上，使固體棒的兩端面與兩換能器的平面可靠、緊密接觸，(旋緊時，應(yīng)用力均勻，不要用力過猛，以免損壞螺紋及儲液槽)，然后把發(fā)射換能器尾部的連接插頭插入接線盒的插座中，即可開始測量，其時間由專用信號源窗口讀出，距離即為待測棒的長度，可用游標(biāo)卡尺測量(廠方提供相同介質(zhì)但長度不同的幾根待測棒)，多次測量，然后用逐差法處理數(shù)據(jù)。測量過程中，調(diào)換測試棒時，應(yīng)先拔出發(fā)射換能器尾部的連接插頭，然后旋出發(fā)射換能器的一端，再旋出接收換能器的一端。

(1)用共振干涉法和相位比較法測量聲速。

(2)了解壓電陶瓷換能器的功能。

(3)進(jìn)一步熟悉示波器的使用。

(4)通過用時差法對多種介質(zhì)的測量，了解聲納技術(shù)的原理及其重要的實用意義。

由波動理論得知，聲波的傳播速度v與聲波頻率 和波長 之間的關(guān)系為 。所以只要測出聲波的頻率和波長，就可以求出聲速。其中聲波頻率可由產(chǎn)生聲波的電信號發(fā)生器的振蕩頻率讀出，波長則可用共振法和相位比較法進(jìn)行測量。時差法可通過測量某一定間隔距離聲音傳播的時間來測量聲波的傳播速度。

本實驗采用壓電陶瓷換能器來實現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。它主要由壓電陶瓷環(huán)片、輕金屬鉛(做成喇叭形狀，增加輻射面積)和重金屬(如鐵)組成。壓電陶瓷片由多晶體結(jié)構(gòu)的壓電材料鋯鈦酸鉛制成。在壓電陶瓷片的兩個底面加上正弦交變電壓，它就會按正弦規(guī)律發(fā)生縱向伸縮，從而發(fā)出超聲波。同樣壓電陶瓷可以在聲壓的作用下把聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號。壓電陶瓷換能器在聲-電轉(zhuǎn)化過程中信號頻率保持不變。

如圖1所示，S1作為聲波發(fā)射器，它把電信號轉(zhuǎn)化為聲波信號向空間發(fā)射。S2是信號接收器，它把接收到的聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號供觀察。其中S1是固定的，而S2可以左右移動。

由聲源S1發(fā)出的聲波(頻率為 )，經(jīng)介質(zhì)(空氣)傳播到S2，S2在接收聲波信號的同時反射部分聲波信號。如果接收面(S2)與發(fā)射面(S1)嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與反射波相干涉形成駐波。反射面處是位移的波節(jié)，聲壓的波腹。改變接收器與發(fā)射源之間的距離 ，在一系列特定的距離上，空氣中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。此時 等于半波長的整數(shù)倍，駐波的幅度達(dá)到極大;同時，在接收面上的聲壓波腹也相應(yīng)地達(dá)到極大值。通過壓電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電信號的電壓值也最大(示波器顯示波形的幅值最大)。因此，若保持頻率不變，通過測量相鄰兩次接收信號達(dá)到極大值時接收面之間的距離 ，即可得到該波的波長 ( )，并用 計算出聲速。

聲源S1發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場，聲場在介質(zhì)中任一點的振動相位是隨時間而變化的，但它和聲源振動的位相差 不隨時間變化。

設(shè)聲源方程可寫成 ，距聲源x處S2接收到的振動為 = cosω( - )，兩處振動的位相差 ，若把兩處振動分別輸入到示波器x軸和y軸(如圖2所示)，那么當(dāng) = ，即 =2 時，合振動為一斜率為正的直線。當(dāng) ，即 時，合振動為一斜率為負(fù)的直線。當(dāng)x為其它值時，合振動為橢圓。移動S2，當(dāng)其合振動為直線的圖形斜率正、負(fù)更替變化一次，S2移動的距離 ，

則

以上兩種方法測聲速都是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察兩個波間的相位差，原理是正確的，但讀數(shù)位置不易確定。較精確測量聲速是用聲波時差法。時差法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號加到發(fā)射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過 時間后，到達(dá) 距離處的接收換能器，所以可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度見圖3。速度

(1)自擬表格，記錄所有的實驗數(shù)據(jù)。表格的設(shè)計要便于用逐差法求相應(yīng)位置的差值和計算 和 。

(2)算出共振干涉法和相位比較法測得的波長平均值 和 ，及其標(biāo)準(zhǔn)偏差 和 。 經(jīng)計算可得波長的測量結(jié)果 = ， Δ

(3)計算按前兩種方法測量的v和 ，以及Δv和Δ ，并寫出實驗結(jié)果v±Δv和v' Δv'。

(4)按理論值公式(空氣中): = v0 算出理論值vS，(式中v0=331.45m/s為T0=273.15K時的聲速，T= t+273.15K )。并將v和 與 比較，用百分誤差表示，并分析產(chǎn)生誤差的原因。

(5)計算時差法測量聲速的誤差v，并將v與 比較， 用百分誤差表示。

(1)聲速測量中的共振干涉法和位相比較法有何異同?

(2)本實驗為什么要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測量?如何調(diào)節(jié)和判斷測量系統(tǒng)是否

處于諧振狀態(tài)?

(3)兩列波在空間相遇時產(chǎn)生駐波的條件是什么?如果發(fā)射面S1和接收面S2不平行，

結(jié)果會怎樣?

(4)相位比較法中作一個周期變化和共振干涉法中作一個周期變化，S2移動距離是否相同?

(5)相位比較法為什么選直線圖形作為測量基準(zhǔn)?從斜率為正的直線變到斜率為負(fù)的直線過程中相位改變了多少?

(6)在相位比較法中，調(diào)節(jié)哪些旋鈕可改變直線的斜率?調(diào)節(jié)哪些旋鈕可改變李莎如圖形的形狀?

(7)用逐差法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是什么?還有沒有別的合適的方法可處理數(shù)據(jù)并且計算 確定值?

七 附錄

1.數(shù)顯表頭的使用方法及維護(hù)

聲速測量組合儀儲液槽上方的測量顯示兩換能器移動距離的數(shù)顯表頭使用方法:

(1)inch/mm按鈕為英/公制轉(zhuǎn)換鈕，測量聲速時用"mm"。

(2)"OFF""ON"按鈕為數(shù)顯表頭電源開關(guān)。

(3)"ZERO"按鈕為表頭數(shù)字回零用。

(4)數(shù)顯表頭在標(biāo)尺范圍內(nèi)，接收換能器處于任意位置都可設(shè)置"0"位。搖動絲桿，接收換能器移動的距離為數(shù)顯表頭顯示的數(shù)字。

(5)數(shù)顯表頭右下方有"▼"處，打開它為更換表頭內(nèi)紐扣式電池處。

(6)使用時，嚴(yán)禁將液體淋到數(shù)顯表頭上，如不慎將液體淋入，可用電吹風(fēng)吹干。(電吹風(fēng)用低檔，并保持一定距離使溫度不超過70℃)。

(7)數(shù)顯表頭與數(shù)顯桿尺的配合極其精確，應(yīng)避免劇烈的沖擊和重壓。

(8)儀器使用完畢后，應(yīng)關(guān)閉數(shù)顯表頭的電源，以免不必要地消耗電池。

2.不同介質(zhì)聲速傳播測量參數(shù)(供參考)

(1)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下傳播介質(zhì)空氣

= v0 算出理論值vS，(式中v0=331.45m/s為T0=273.15K時的聲速，T=t+273.15K )

(2)液體

①淡水: 1 480 m/s;②甘油 :1 920 m/s;③變壓器油:1 425 m/s;④蓖麻油:1 540 m/s;

(3)固體

①有機玻璃 :1 800~2 250m/s;②尼龍:1 800~2 200m/s;③聚胺脂:1 600~1 850 m/s;④黃銅: 3 100~3 650m/s;⑤金:2 030m/s;⑥銀:2 670 m/s

注:固體材料由于其材質(zhì)、密度、測試的方法各有差異，故其聲速測量參數(shù)僅供參考。