超聲波波速測量實(shí)驗(yàn)原理

由波動(dòng)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(shí)差法可通過測量某一定間隔距離聲音傳播的時(shí)間來測量聲波的傳播速度。

本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷換能器來實(shí)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(gè)底面加上正弦交變電壓，它就會(huì)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(dòng)。

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(shí)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(shí) 等于半波長的整數(shù)倍，駐波的幅度達(dá)到極大;同時(shí)，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(shí)接收面之間的距離 ，即可得到該波的波長 ( )，并用 計(jì)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(diǎn)的振動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的，但它和聲源振動(dòng)的位相差 不隨時(shí)間變化。

設(shè)聲源方程可寫成 ，距聲源x處S2接收到的振動(dòng)為 = cosω( - )，兩處振動(dòng)的位相差 ，若把兩處振動(dòng)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(shí)，合振動(dòng)為一斜率為正的直線。當(dāng) ，即 時(shí)，合振動(dòng)為一斜率為負(fù)的直線。當(dāng)x為其它值時(shí)，合振動(dòng)為橢圓。移動(dòng)S2，當(dāng)其合振動(dòng)為直線的圖形斜率正、負(fù)更替變化一次，S2移動(dòng)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(gè)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(shí)差法。時(shí)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(shí)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)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(shí)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(shí)用意義。

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(shí)，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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)。

(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(dòng)接近S1處(注意不要接觸)，再緩緩地移動(dòng)S2，當(dāng)示波器上出現(xiàn)振幅信號時(shí)時(shí)，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(gè)記下振幅最大的x1，x2 ，…，x9共10個(gè)點(diǎn)。

(1)在共振干涉法實(shí)驗(yàn)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(shí)，記

下S2的位置 。

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

(4)記下實(shí)驗(yàn)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(jì)時(shí)器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時(shí)的距離值和顯示的時(shí)間值Li、ti(時(shí)間由聲速測試儀信號源時(shí)間顯示窗口直接讀出)。移動(dòng)S2，同時(shí)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(shí)間值L1、ti共10個(gè)點(diǎn)。

當(dāng)使用液體為介質(zhì)測試聲速時(shí)，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(shí),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(dòng)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(shí)，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(shí)，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(shí)可能會(huì)有較大的誤差，所以建議采用時(shí)差法測量。

(3)固體介質(zhì)

測量非金屬(有機(jī)玻璃棒)、金屬(黃銅棒)固體介質(zhì)時(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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)自擬表格，記錄所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表格的設(shè)計(jì)要便于用逐差法求相應(yīng)位置的差值和計(jì)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(jì)算可得波長的測量結(jié)果 = ， Δ

(3)計(jì)算按前兩種方法測量的v和 ，以及Δv和Δ ，并寫出實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)算時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(huì)怎樣?

(4)相位比較法中作一個(gè)周期變化和共振干涉法中作一個(gè)周期變化，S2移動(dòng)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(diǎn)是什么?還有沒有別的合適的方法可處理數(shù)據(jù)并且計(jì)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(dòng)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(shí)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(dòng)絲桿，接收換能器移動(dòng)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(shí)，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(shí)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(jī)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。