超聲聲速的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.通過實(shí)驗(yàn)了解換能器的原理及工作方式；2.用共振干涉法（駐波法）測(cè)量聲速；3.用相位比較法（行波法）測(cè)量聲速。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、聲速測(cè)試儀

(SV-DH-7A)2、綜合聲速測(cè)定儀信號(hào)源

(SVX-5)3、數(shù)字示波器

(25MHz)

聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，它在不同介質(zhì)中傳播的速度是不同的。聲波可以在固體、液體或是氣體介質(zhì)中傳播，介質(zhì)密度愈大，則聲速愈快。

可聞的聲波頻率為20-20KHz。頻率大于20kHz的機(jī)械波為超聲波。超聲波具有方向性好、穿透本領(lǐng)大等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)就是利用超聲波來測(cè)定空氣中的聲速。三、實(shí)驗(yàn)原理

聲速、聲源振動(dòng)頻率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系為

式中為聲速；為頻率；為波長(zhǎng)。

頻率的測(cè)定：調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率直至換能器諧振，此時(shí)超聲波的頻率即為換能器諧振頻率，頻率大小直接可由信號(hào)源面板讀出（具體調(diào)節(jié)見實(shí)驗(yàn)內(nèi)容）。﹡補(bǔ)充材料及儀器介紹壓電換能器簡(jiǎn)介有些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生形變時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷，去掉外力時(shí)又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)；具有該效應(yīng)的物質(zhì)為壓電材料；利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的換能器叫做壓電換能器。我們將正弦交流電信號(hào)轉(zhuǎn)變成壓電材料縱向長(zhǎng)度的伸縮，成為聲波的生源，同樣也使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓脕斫邮章曅盘?hào)。

聲波波長(zhǎng)的測(cè)量方法1.駐波法入射波：反射波：駐波方程：當(dāng)形成駐波共振，任意兩個(gè)相鄰的共振態(tài)之間，S2的位移為

L入射波反射波S1S2

如何利用波形來判斷半波長(zhǎng)的距離：由縱波性質(zhì)和駐波理論可知，接收面按振動(dòng)位移來說處于波節(jié)時(shí)、按聲壓來說是處于波腹、接收到的聲壓相應(yīng)達(dá)到最大值、所接受電信號(hào)最強(qiáng)。波形最大，即當(dāng)S2處于半波長(zhǎng)整數(shù)倍距離時(shí)，示波器所顯示的信號(hào)幅度極大，移動(dòng)接受器S2時(shí)、逐漸變小、然后再次變?yōu)闃O大、相鄰二次達(dá)到極大值的距離為半波長(zhǎng)／2.S2S12、相位比較法（即李薩如圖形法）：置示波器功能于X－Y方式，合成振動(dòng)方程為：

發(fā)射波和接收波之間相位差：相位差從0～1800

變化，李薩如圖形分別為：改變S1和S2之間的距離L，相當(dāng)于改變了發(fā)射波和接收波之間的相位差，波形隨L不斷變化。顯然，當(dāng)L改變一個(gè)波長(zhǎng)，則相位差改變3600。圖形回到原樣。

頻率顯示發(fā)射波形接收波形發(fā)射接收

接收放大發(fā)射強(qiáng)度頻率細(xì)調(diào)頻率粗調(diào)脈沖波連續(xù)波空氣液體金屬非金屬儀器結(jié)構(gòu):信號(hào)源發(fā)射頭接收頭調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺絲信號(hào)接收信號(hào)發(fā)射板距離調(diào)節(jié)儀器結(jié)構(gòu):信號(hào)測(cè)試架實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

一、調(diào)節(jié)諧振頻率1.按下圖接好電路。2.打開信號(hào)源及示波器電源

3.按auto鍵（下圖藍(lán)鍵）：在連續(xù)波強(qiáng)度、接受增益及頻率調(diào)節(jié)都合適的情況下出現(xiàn)一條發(fā)射波形，一條接受波形。

實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就在于通過觀察波形的變化來調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)連續(xù)波強(qiáng)度和接受增益極小時(shí)，出現(xiàn)以下波形

4、適當(dāng)調(diào)節(jié)連續(xù)波強(qiáng)度。按AUTO鍵自動(dòng)調(diào)節(jié)波形，再調(diào)節(jié)接受增益

5、最后調(diào)節(jié)頻率(范圍大概在18~46KHz)。

當(dāng)信號(hào)源頻率越接近換能器諧振頻率時(shí)(32—40KHZ)，接受信號(hào)越強(qiáng)，波形越大。(中間可按AUTO鍵來調(diào)整大小)

在調(diào)節(jié)頻率過程中如信號(hào)很強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)波形失真如圖，可以調(diào)小連續(xù)波強(qiáng)度或接受增益。在頻率達(dá)到某一數(shù)值，波形出現(xiàn)最大，繼續(xù)調(diào)高或調(diào)小頻率時(shí)都導(dǎo)致波形變小就說明此頻率即為諧振頻率，記錄此時(shí)信號(hào)發(fā)生器頻率讀數(shù)，至此頻率調(diào)節(jié)結(jié)束。二、共振法測(cè)波長(zhǎng)。1、打開數(shù)顯游標(biāo)卡尺，單位轉(zhuǎn)成mm。2、轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪將兩換能器接近至60mm左右。

3、轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪將S2（接受換能器）緩慢離開S1（發(fā)射換能器），同時(shí)觀察接收波形出現(xiàn)振幅極大值，記下此時(shí)距離，繼續(xù)移動(dòng)S2，依次記下各振幅極大時(shí)的值，共測(cè)量10個(gè)數(shù)據(jù)記入數(shù)據(jù)表。

將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)方式。按前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容A的方法，確定最佳工作頻率。觀察示波器，找到接收波形的最大值，記錄幅度為最大時(shí)的距離，由數(shù)顯尺上直接讀出或在機(jī)械刻度上讀出S2,記下X0

位置。然后，向著同方向轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時(shí)波形的幅度會(huì)發(fā)生變化（同時(shí)在示波器上可以觀察到來自接收發(fā)生換能器的振動(dòng)曲線波形相移），逐個(gè)記下振幅最大的X1，X2，…，單次測(cè)量的波長(zhǎng)。用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長(zhǎng)。儀器連接

二、相位法測(cè)波長(zhǎng)將波形調(diào)成李薩如圖形，使用如下，按MENU鍵后選擇時(shí)基X-Y模式即可。

將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式。確定最佳工作頻率，單蹤示波器接收波接到“Y1”，發(fā)射波接到“Y2”外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“CH1”，發(fā)射波接到“CH2”，打到“X-Y”顯示方式，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器，出現(xiàn)李薩如圖形。轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一第1象限到第3象限的斜線，記下上的位置，再向前或者向后（必須是一個(gè)方向）移動(dòng)距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，這時(shí)來自接收換能器的振動(dòng)波形發(fā)生了360的相移。依次記下示波器屏上斜率負(fù)、正變化的直線出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)位置X1,X2…，單次波長(zhǎng)。多次測(cè)定用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波長(zhǎng)。儀器連接

緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪使李薩如圖成一直線，即相位差為的整數(shù)倍，記下此時(shí)距離，繼續(xù)移動(dòng)S2，依次記下出現(xiàn)直線時(shí)的值共測(cè)量10個(gè)數(shù)據(jù)記入數(shù)據(jù)表。

注意：如李薩如圖形出現(xiàn)失真時(shí)，可同樣調(diào)節(jié)連續(xù)波強(qiáng)度及接受增益使波形正常。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理舉例１．駐波法測(cè)量空氣中的聲速1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接收面位置接收面位置10.01623.2823.279.3124.73727.9323.209.3239.37832.5323.169.26413.97937.1023.139.25518.581041.8323.259.30平均值9.29

3）空氣中