空氣、液體介質(zhì)聲速測量

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1、空氣、液體介質(zhì)的聲速測量聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波，頻率低于的聲波稱為次聲波；頻率在的聲波可以被人聽到，稱為可聞聲波；頻率在以上的聲波稱為超聲波。超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)因素有關(guān)。因而通過媒質(zhì)中聲速的測定，可以了解媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化。例如，測量氯氣（氣體）、蔗糖（溶液）的濃度、氯丁橡膠乳液的比重以及輸油管中不同油品的分界面，等等，這些問題都可以通過測定這些物質(zhì)中的聲速來解決。可見，聲速測定在工業(yè)生產(chǎn)上具有一定的實(shí)用意義。同時(shí)，通過液體中聲速的測量，了解水下聲納技術(shù)應(yīng)用的基本概念?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．了解壓電換能器的功能，加深對(duì)駐波及振動(dòng)合成等理論知

2、識(shí)的理解。2．學(xué)習(xí)用共振干涉法、相位比較法和時(shí)差法測定超聲波的傳播速度。【實(shí)驗(yàn)原理】在波動(dòng)過程中波速、波長和頻率之間存在著下列關(guān)系：，實(shí)驗(yàn)中可通過測定聲波的波長和頻率來求得聲速。常用的方法有共振干涉法與相位比較法。聲波傳播的距離與傳播的時(shí)間存在下列關(guān)系：，只要測出和就可測出聲波傳播的速度，這就是時(shí)差法測量聲速的原理（本次實(shí)驗(yàn)略）。1．共振干涉法（駐波法）測量聲速的原理:當(dāng)二束幅度相同，方向相反的聲波相交時(shí)，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波。對(duì)于波束1：、波束2：，當(dāng)它們相交會(huì)時(shí)，疊加后的波形成波束3：，這里為聲波的角頻率，為經(jīng)過的時(shí)間，為經(jīng)過的距離。由此可見，疊加后的聲波幅度，隨距

3、離按變化。如圖1所示。壓電陶瓷換能器作為聲波發(fā)射器，它由信號(hào)源供給頻率為數(shù)千周的交流電信號(hào)，由逆壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而換能器則作為聲波的接收器，正壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)輸入示波器，我們?cè)谑静ㄆ魃峡煽吹揭唤M由聲壓信號(hào)產(chǎn)生的正弦波形。聲源發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到，在接收聲波信號(hào)的同時(shí)反射部分聲波信號(hào)，如果接收面（）與發(fā)射面（）嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與發(fā)射波相干涉形成駐波。我們?cè)谑静ㄆ魃嫌^察到的實(shí)際上是這兩個(gè)相干波合成后在聲波接收器處的振動(dòng)情況。移動(dòng)位置（即改變與之間的距離），你從示波器顯示上會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)在某些位置時(shí)振幅有最小值或最大

4、值。根據(jù)波的干涉理論可以知道：任何二相鄰的振幅最大值的位置之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為。為測量聲波的波長，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時(shí)，緩慢的改變和之間的距離。示波器上就可以看到聲振動(dòng)幅值不斷地由最大變到最小再變到最大，二相鄰的振幅最大之間移動(dòng)過的距離亦為。超聲換能器至之間的距離的改變可通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿的鼓輪來實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲波測試儀信號(hào)源頻率顯示窗口直接讀出。在連續(xù)多次測量相隔半波長的的位置變化及聲波頻率以后，我們可運(yùn)用測量數(shù)據(jù)計(jì)算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。32．相位法測量原理:聲源發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場，聲場在介質(zhì)中任

5、一點(diǎn)的振動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的。但它和聲源的振動(dòng)相位差不隨時(shí)間變化。設(shè)聲源方程為：距聲源處接收到的振動(dòng)為：兩處振動(dòng)的相位差：當(dāng)把和的信號(hào)分別輸入到示波器軸和軸，那么當(dāng)即時(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)為其它值時(shí)，合成振動(dòng)為橢圓（如圖2）?！緦?shí)驗(yàn)儀器】實(shí)驗(yàn)儀器采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的型聲速測定儀及型聲速測定專用信號(hào)源各一臺(tái)。其外形結(jié)構(gòu)見圖4。型聲速測量組合儀適用于空氣、液體介質(zhì)聲速測定使用；組合儀主要由儲(chǔ)液槽、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、數(shù)顯標(biāo)尺、壓電換能器等組成。壓電換能器供測量氣體和液體聲速用。作為發(fā)射超聲波用的換能器固定在儲(chǔ)液槽的左邊，另一只接

6、收超聲波用的接收換能器裝在可移動(dòng)滑塊上。上下兩只換能器的相對(duì)位移通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步行進(jìn)，并由數(shù)顯表頭顯示位移的距離。發(fā)射換能器超聲波的正弦電壓信號(hào)由聲速測定專用信號(hào)源供給，換能器把接收到的超聲波聲壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，用示波器觀察；時(shí)差法測量時(shí)則還要接到專用信號(hào)源進(jìn)行時(shí)間測量，測得的時(shí)間值具有保持功能。3【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】一．聲速測量系統(tǒng)的連接聲速測量時(shí)：專用信號(hào)源、型測定儀、示波器之間，連接方法見圖5。二．諧振頻率的調(diào)節(jié)根據(jù)測量要求初步調(diào)節(jié)好示波器。將專用信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)頻率調(diào)節(jié)到換能器的諧振頻率，以使換能器發(fā)射出較強(qiáng)的超聲波，能較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，以得到較好的實(shí)驗(yàn)

7、效果，方法如下：1．將專用信號(hào)源的“發(fā)射波形”端接至示波器，調(diào)節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號(hào)；2．專用信號(hào)源的上“發(fā)射強(qiáng)度”旋鈕，使其輸出電壓在左右，然后將換能器的接收信號(hào)接至示波器，調(diào)整信號(hào)頻率，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（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、相匹配頻率點(diǎn)，記錄此頻率。3．改變、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(hào)頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達(dá)到最大值。共測次取平均頻率。三．共振干涉法、相位法、時(shí)差法測量聲速的步驟：1．共振干涉法（駐波