实验 3.12 超声声速的测量声波是一种机械波，它可以在气态、液态、固态物质中传播，它会引起物质的光学、电磁、力学、化学性质以及人类生理、心理等性质的变化。人耳能听到的声波称为可闻声波，频率在 20Hz～20kHz 之间，频率低于 20Hz 的声波称为次声波，频率高于 20kHz 则称为超声波。超声波在媒质中传播时，声速、声衰减和声阻抗都和媒质的特性及状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性和状态变化。这些声学量的测量方法就是超声无损检测的实验基础。由于媒质中的声速与媒质的许多非声学特性都有直接或间接的关系，所以通过声速的测量可以求出固体媒质的弹性模量，进行气体成分分析，测定液体的比重液体的成分及溶液浓度等。利用媒质的温度、压强、流速与声速的关系则可以探测这些状态参量的变化。媒质中的声速是应用最广而且测量精度也较高的声学量。测量声速依据的原理可以是v=l/t （l 表示声音传播的距离，t 表示通过这段距离的时间），也可以是v=fλ （f 为声波的频率，λ 为声波的波长）。本实验采纳的共振干涉法和相位比较法均属于后者。一、预备问题1． 压电换能器是如何工作的？2． 声波在媒质中传播的速度与哪些因素有关？3． 何为共振干涉法和相位比较法？二、引言1．超声波的发射和接收超声波的发射和接收都需要用换能器，换能器的作用是将其它形式的能量转换成超声波的能量（发射换能器），或将超声波的能量转换为其它可以检测的能量（接收换能器）最常使用的是压电换能器。压电晶体（如石英）或压电陶瓷（如钛酸钡、锆钛酸铅）这类压电材料受到应力 T 的作用会在材料内产生电场 E，且满足E=σ⋅T （σ 为压电常数），这就是压电效应。压电效应是法国人居里兄弟 1880 年在讨论热电现象和晶体对称性的时候发现的。压电换能器接收超声波信号使之转换为电信号，从而将机械能转换为电能，利用的就是压电效应原理。当超声波频率与系统固有（共振）频率一致时所产生的电信号最强压电材料还具有逆压电效应，压电材料在电场 E 的作用下产生伸缩形变 S，且满足S=d⋅E （d 为伸缩常数），在交变电场的作用下会产生周期性的收缩和伸长，当外加电场的频率和压电体固有频率相同时振幅最大。发射换能器利用逆压电效应就可以将电能转换成超声振动能，在周围媒质中激发超声波。2．声速的测量声波在媒质中传播的速度决定于媒质的密度、弹性模量等性质。声波在液体和固体中的传播速度一般大于在气体中的传播速...
