超聲波聲速的測定第一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測量超聲波在空氣中的傳播速度；2、加深對波的相位、波的干涉及振動合成等理論的理解，學(xué)習(xí)用示波器觀察信號間的相位差；3、掌握用逐差法處理數(shù)據(jù)的能力；4、培養(yǎng)綜合應(yīng)用儀器設(shè)備的能力。第二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五二、實(shí)驗(yàn)原理聲速測量的常用方法有兩類：第一類是根據(jù)聲波的傳播速度與其頻率和波長之間的關(guān)系，先測出頻率和波長，再計(jì)算聲速。常用方法有相位比較法和駐波法（共振干涉法）；第二類是測量聲波傳播距離和時(shí)間間隔，然后根據(jù)公式計(jì)算聲速。常用的方法有時(shí)差法。第三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五1.相位比較法相位比較法測聲速連線圖如圖所示第四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五從S1發(fā)出的正弦波與S2收到的正弦波之間的相位差為

S1與S2之間變化一個(gè)波長λ，φ相位差變化2π，示波器上所觀察到的李薩如圖隨之變化一個(gè)周期，測出波長，從而可以計(jì)算出波速。圖形相位差第五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五2.駐波法（駐波共振法）駐波法測聲速示意圖：第六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五沿x方向的入射波和反射波相遇干涉時(shí)，在空間某點(diǎn)的合振動方程為:y=y1+y2=(2Acos2πx/λ)cos2πft，波腹處振幅最大，波節(jié)處振幅為零，由縱波的性質(zhì)可以知道，當(dāng)接收換能器端面位于振動的波節(jié)時(shí)，正好聲壓值最大。移動S2，可看到示波器上顯示的聲壓值不斷地由最大變到最小再變到最大，呈周期性變化。二相鄰的振幅最大點(diǎn)之間移動過的距離亦為兩相鄰波節(jié)的距離，即第七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五3.時(shí)差法時(shí)差法測聲速連線圖如圖所示：第八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五時(shí)差法是將脈沖調(diào)制信號加到發(fā)射器上，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，可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中的傳播速度第九頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五三、實(shí)驗(yàn)儀器超聲聲速測定儀、SV5聲速測量專用信號源、YB4328示波器等

第十頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五超聲聲速測定儀聲速測定儀是由壓電換能系統(tǒng)S1、S2、游標(biāo)卡尺、固定支架等部件組成，儀器裝置如圖3.1.9所示。S1、S2是兩個(gè)壓電陶瓷超聲換能器，S1為發(fā)射換能器，它通過逆壓電效應(yīng)把電信號轉(zhuǎn)換成以電信號頻率的機(jī)械振動，從而推動空氣分子振動產(chǎn)生平面聲波；S2為接收換能器，它通過正壓電效應(yīng)把聲信號轉(zhuǎn)換為電信號以接收聲波，其端面也是聲波的反射界面，它們的結(jié)構(gòu)完全相同，有共同的諧振頻率，只有當(dāng)外界輸入信號的頻率等于其諧振頻率時(shí)，才能產(chǎn)生最佳的機(jī)械振動。第十一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五壓電陶瓷換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外殼第十二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟相位比較法(1)調(diào)整信號源的輸出頻率使發(fā)射換能器處于諧振狀態(tài)，調(diào)整發(fā)射換能器的發(fā)射面與接收換能器的接收面保持平行。方法同駐波法。(2)按圖連接線路。(3)沿著相同方向轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，改變發(fā)射面與接收面之間的距離，觀察示波器熒光屏上李薩如圖形的變化，依次讀取示波器上顯示相位差圖樣時(shí)接收面的位置（表4-23）。(4)記下室溫，并用逐差法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算不確定度。第十三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第十四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五2.駐波法測定聲速(1)按圖接好電路(2)調(diào)整發(fā)射換能器的發(fā)射面與接收換能器的接收面保持平行。(3)調(diào)整超聲信號源的輸出信號頻率，觀察示波器y軸信號的振幅，使振幅達(dá)到最大。此時(shí)表示發(fā)射換能器處于諧振狀態(tài)。(4)沿著同方向轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，使發(fā)射面和接收面之間的距離逐漸增加，可觀察到示波器中y軸振幅的大小會有周期性變化，依次記錄示波器電壓值幅值最大時(shí)，接受器S2的位置即為駐波的波節(jié)位置。(5)記下連續(xù)10次出現(xiàn)幅度最大時(shí)接受器S2的位置，用逐差法處理數(shù)據(jù)，計(jì)算不確定度。第十五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第十六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五3.時(shí)差法（選做）（1）將測試方法設(shè)置到脈沖波方式。（2）將S1和S2之間的距離調(diào)到。（3）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300～400mV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)S2的讀數(shù)。（4）沿著相同方向轉(zhuǎn)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，改變發(fā)射面與接收面之間的距離，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10μs左右記錄下S2的讀數(shù)。（5）記下室溫，并用逐差法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。第十七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第十八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五五、注意事項(xiàng)1.確保換能器S1和S2端面的平行。2．測量時(shí)必須沿同一方向輕而緩慢地轉(zhuǎn)動位置調(diào)節(jié)鼓輪以避免空程誤差，會讀取鼓輪讀數(shù)。3．注意保護(hù)儀器，鼓輪要緩慢搖動，不能用力過猛，不要擠壓