大学物理实验：超声声速测定VIP免费

超声声速测定声波特性的测量，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”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。【实验目的】1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。2.了解压电换能器的功能。3.学习用逐差法处理数据。【实验仪器】SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等【实验原理】频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。根据声波各参量之间的关系可知υ=λ⋅f,其中υ为波速,λ为波长,f为频率。图4-5-1共振法测量声速实验装置在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f求声速。声波的频率f可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。图4-5-2相位比较法测量声速实验装置1.相位比较法实验装置接线如图4-5-2所示，置示波器功能于X－Y方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动方程为：x2A12+y2A22−2xyA1A2cos(ϕ2−ϕ1)=sin2(ϕ2−ϕ1)在发射波和接收波之间产生相位差：Δϕ=ϕ2−ϕ1=2πΔxλ见图3，随着振动的相位差从0～π的变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线，测得了波(a)Δϕ=0(b)Δϕ=π4(c)Δϕ=π2(d)Δϕ=3π4(e)Δϕ=π图4-5-3合成振动长λ和频率f，根据式υ=λ⋅f即可计算出声音传播的速度。改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L不断变化。显然，当S1、S2之间距离改变半个波长ΔL=λ/2，则Δϕ＝π。2.共振干涉(驻波)法测声速由声源S1发出的声波（频率为f），经介质（空气）传播到S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。反射面处是位移的波节，声压的波腹。改变接收器与发射源之间的距离L，在一系列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波共振现象。此时L等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。通过压电转换，产生的电信号的电压值也最大（示波器显示波形的幅值最大）。因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离ΔL，即可得到该波的波长λ（λ=2Δx），并用υ=λ⋅f计算出声速。3.压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。图4-5-4纵向换能器的结构压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力T时，在极化方向上产生一定的电场强度E且具有线性关系：E=g⋅T,即力→电，称为正压电效应；当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与U之间有简单的线性关系：正负电极片后盖反射板压电陶瓷片辐射头S=d⋅U，即电→力，称为逆压电效应。其中g为比例系数，d为压电常数，与材料的性质有关。由于...