【試驗目的】了解壓電換能器的功能，加深對駐涉及振動合成等理論學問的理解。學習用共振干預法、相位比較法和時差法測定超聲波的傳播速度。通過用時差法對多種介質(zhì)的測量，了解聲納技術的原理及其重要的有用意義?！驹囼炘怼吭诓▌舆^程中波速V、波長和頻率f之間存在著以下關系：Vf，試驗中可通過測定聲波的波長和頻率f來求得聲速V。常用的方法有共振干預法與相位比較法。聲波傳播的距離L與傳播的時間t存在以下關系：LVt ，只要測出L和t就可測出聲波傳播的速度V，這就是時差法測量聲速的原理。共振干預法〔駐波法〕測量聲速的原理：當二束幅度一樣，方向相反的聲波相交時，產(chǎn)生干預現(xiàn)象，消滅駐波。對于波束1：t2X/，當它們相交會時，1 2 X/cost tX為經(jīng)過的距離。由此可見，疊加后的聲波幅度，隨距離按cos2X為經(jīng)過的距離。由此可見，疊加后的聲波幅度，隨距離按cos2X/

為聲波的角頻率，為1所示。壓電陶瓷換能器S1

作為聲波放射器，它由信號源供給頻率為數(shù)千周S2

電效應將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號，該信號輸入示波器，我們在示波器上可看到一組由聲壓信號產(chǎn)生的正弦波形。聲源S1

發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到S2

，在接收聲波信號的同時反射局部聲波信號，假設接收面〔S2

〕與放射面〔S1

〕嚴格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與放射波相干預形成駐波。我們在示波器上觀看到的實際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器S2

S2

〔即轉(zhuǎn)變S與S1 2

之間的距離，你從示波器顯示上會覺察當S2

在某些位置時振幅有最小值或最大值以知道：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/2。為測量聲波的波長，可以在一邊觀看示波器上聲壓振幅值的同時，緩慢的1111轉(zhuǎn)變S和S1 2

之間的距離。示波器上就可以看到聲振動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S2

移動過的距離亦為/2。超聲換能器S2

至S之間的距離1S的位置變化及聲波頻率f2用測量數(shù)據(jù)計算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。相位法測量原理：聲源S1

變化的。但它和聲源的振動相位差不隨時間變化。設聲源方程為： F1

F cost01距聲源X處S2

F2

F cos(tX)02 Y兩處振動的相位差： XY當把S和S的信號分別輸入到示波器X軸和Y軸，那么當X1 2時，合振動為一斜率為正的直線，當

一斜率為負的直線，當X為其它值時，合成振動為橢圓〔如圖。時差法測量原理：以上二種方法測聲速，是用示波器觀看波谷和波峰，或觀看二個波的相位差，原理是正確的，但存在讀數(shù)誤差。較準確測量聲速的方法是承受聲波時差法，時差法在工程中得到了廣泛的應用。它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號加到放射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過時間t后，到達距離為L處的接收換能器，那么可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。速度V L/t?！驹囼瀮x器】試驗儀器承受杭州精科儀器生產(chǎn)的SV6型聲速測量組合儀及SV5型聲速測定專用信號源各一臺。其外形構造見圖4。組合儀主要由儲液槽、傳動機構、數(shù)顯標尺、兩副壓電換能器等組成。儲液槽中的壓電換能器供測量液體聲速用，另一副換能器供測量空氣及固體聲速用。作為放射超聲波用的換能器S1

S2

裝在可移動滑塊上。上下兩只換能器的相對位移通過傳動機構同步行進，并由數(shù)顯表頭顯示位移的距離。S放射換能器超聲波的正弦電壓信號由SV5聲速測定專用信號源供給，換能器S把1 2接收到的超聲波聲壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，用示波器觀看；時差法測量時則還要接到專用信號源進展時間測量，測得的時間值具有保持功能。試驗時用戶需自備示波器一臺；300mm游標卡尺一把，用于測量固體棒的長度?！驹囼瀮?nèi)容】一．聲速測量系統(tǒng)的連接：SV5專用信號源、SV6測試儀、示波器之間，連接方法見圖5。二．諧振頻率的調(diào)整：諧振頻率，以使換能器放射出較強的超聲波，能較好地進展聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，以得到較好的試驗效果，方法如下：將專用信號源的“放射波形”端接至示波器，調(diào)整示波器，能清楚地觀看到同步的正弦波信號；專用信號源的上“放射強度”旋鈕，使其輸出電壓在20V

左右，然后將換能器的接25kHz~45kHz

PP收信號接至示波器調(diào)整信號頻率 觀看接收波的電壓幅度變化在某之間，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S、S1 2

相匹配頻率點，記錄此頻率f 。i轉(zhuǎn)變S、S1 2

的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調(diào)整正弦信號頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅到達最大值。共測5次取平均頻率f。三．共振干預法、相位法、時差法測量聲速的步驟：1．共振干預法〔駐波法〕測量波長：1111將測試方法設置到連續(xù)方式。按前面試驗內(nèi)容二的方法，確定最正確工作頻率。觀看示波器，找到接收波形的最大值，記錄幅度為最大時的距離，由數(shù)顯尺上直接讀出或在機械刻度上讀出；登記S位置X 。然后，向著同方向轉(zhuǎn)動距離調(diào)整鼓輪，這時波形的幅度2 0會發(fā)生變化〔同時在示波器上可以觀看到來自接收換能器的振動曲線波形發(fā)生相移個登記振幅最大的X ，X，…X共10個點，單次測量的波長2XX 。1 2 9 i i i1用逐差法處理這十個數(shù)據(jù)，即可得到波長 。相位比較法〔李薩如圖法〕測量波長：將測試方法設置到連續(xù)波方式。確定最正確工作頻率，單蹤示波器接收波接到“YEXT”外觸發(fā)端；雙蹤示波器接收波接到“C1C2XY”顯示方式，適當調(diào)整示波器，消滅李薩如圖形。轉(zhuǎn)動距離調(diào)整鼓輪，觀察波形為確定角度的斜線，登記S的位置X，再向前或者向后〔必需是一個方向〕移動2 0S的振動2波形發(fā)生了2相移。依次登記示波器屏上斜率負、正變化的直線消滅的對應位置X ，1X，…X。單次波長2XX 。屢次測定用逐差法處理數(shù)據(jù)，即可得到波2 9 i i i1長。干預法、相位法的聲速計算：f〔頻率由聲速測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀出〕，則聲速Vf由于聲速還與介質(zhì)溫度有關，故請登記介質(zhì)溫度t(C) 。時差法測量聲速：(1〕空氣介質(zhì)：測量空氣聲速時,將專用信號源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“空氣”位置,放射換能器〔帶有轉(zhuǎn)軸〕用緊定螺釘固定，然后將話筒插頭插入接線盒中的插座中。S和S1 2

〔≥50mm。開啟數(shù)顯表頭電源，并置0，再調(diào)整接收增益，使示波器上顯示的接收波信號幅度在300~40mV左右〔峰峰值，以使計時器工作在最正確狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值L 、t (時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出)；移動S，記i1 i1 2錄下這時的距離值和顯示的時間值Lti i

。則聲速V1

(Li

Li1

)/(ti

t )。i1記錄介質(zhì)溫度t(C?！策@時時間也變大時，假設測量時間值消滅跳變，則應順時針方向微調(diào)“接收放大”旋鈕，以補償信號的衰減；以使計時器能正確計時。(2〕液體介質(zhì)：當使用液體為介質(zhì)測試聲速時，先留神將金屬測試架從儲液槽中取出，取出時應用手指稍稍抵住儲液槽，再向上取出金屬測試架。然后向儲液槽注入液體，直至液面線處，但不要超過液面線。留意：在注入液體時，不能將液體淋在數(shù)顯表頭上，然后將金屬測試架裝回儲液槽。專用信號源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“液體”位置，換能器的連接線接至測試架上的“液體”專用插座上，即可進展測試，步驟與1一樣。記錄介質(zhì)溫度t(C) ?！?〕固體介質(zhì)：(只適合用時差法測量)測量非金屬〔有機玻璃棒、金屬〔黃銅棒〕固體介質(zhì)時，可按以下步驟進展試驗：①將專用信號源上的“測試方法”置于“脈沖波”位置，“聲速傳播介質(zhì)”按測試材質(zhì)的不同，置于“非金屬”或“金屬”位置。②再將待測的測試棒的一端面小螺柱旋入接收換能器中心螺孔內(nèi)，再將另一端面的小螺柱旋入能旋轉(zhuǎn)的放射換能器上，使固體棒的兩端面與兩換能器的平面牢靠、嚴密接觸，留意：旋緊時，應用力均勻，不要用力過猛，以免損壞調(diào)換測試棒時，應先拔動身射換能器尾部的連接插頭，然后旋動身射換能器的一端，再旋出接收換能器的一端。③把放射換能器尾部的連接插頭插入接線盒的插座中，按圖5(b)接線，即可開頭測量。④記錄信號源的時間讀數(shù)，單位為s。測試棒的長度可用游標卡尺測量得到并記錄。⑤用以上方法調(diào)換其次長度及第三長度被測棒，重測量并記錄數(shù)據(jù)。⑥用逐差法處理數(shù)據(jù)，依據(jù)不同被測棒的長度差和測得的時間差計算出被測棒的聲速?！緮?shù)據(jù)處理】自擬表格記錄全部的試驗數(shù)據(jù)，表格要便于用逐差法求相應位置的差值和計算。，及其標準偏差S，同時考慮儀器的示值讀數(shù)誤差為0.01mm。經(jīng)計算可得波長的測量結果。按理論值公式VS

V0

，算出理論值V 。TTTT0式中V0

331.45m/s為T0

273.15K。計算出通過二種方法測量的V以及V值，其中VVV 。S將試驗結果與理論值比較，計算百分比誤差。分析誤差產(chǎn)生的緣由?？蓪憺樵谑覝貫?C時，用共振干預法〔相位法〕測得超聲波在空氣中的傳播速度為：V ± m/s，V= ％VS列表記錄用時差法測量非金屬棒及金屬棒的試驗數(shù)據(jù)。三根一樣材質(zhì)，但不同長度待測棒的長度。每根待測棒所測得相對應的聲速。用逐差法求相應的差值，然后通過計算與理論聲速傳播測量參數(shù)進展比較，并計算百分誤差?！舅伎碱}】聲速測量中共振干預法、相位法、時差法有何異同？為什么要在諧振頻率條件下進展聲速測量？如何調(diào)整和推斷測量系統(tǒng)是否處于諧振狀態(tài)？為什么放射換能器的放射面與接收換能器的接收面要保持相互平行？聲音在不同介質(zhì)中傳播有何區(qū)分？聲速為什么會不同？SV6一．概述：本儀器是力學試驗設備，可用駐波法(干預法)、相位法(行波法)和時差法對聲波在空氣中、液體中以及固體的傳播速度進展定量的測定。儀器內(nèi)聲波的放射與接收均承受超聲壓電換能系統(tǒng)，完全符合教學大綱對試驗的要求。嚴格的說，儀器放射的聲波屬于次超聲中的特定頻率，即在35kHz~40kHz的范圍內(nèi)。由于壓電換能系統(tǒng)的工作頻帶寬度在幾千赫的范圍內(nèi)所以本儀器不適于對任意波長的聲波在空氣中的傳播速度進展測定。本儀器在使用時配用專用信號源及示波器即可進展試驗。上述通用示波器一般物理試驗室均有配備。二．儀器的構造：11試驗儀器由SV6型聲速測量組合儀和SV5型聲速測量專用信號源組成，圖2、圖3111111分別標注了用駐波法(干預法)、相位法(行波法)和時差法對聲波在空氣中、液體介質(zhì)中以及固體介質(zhì)中的傳播速度進展定量的測定的試驗線路連接方法。三．技術指標：SV6；f3kHzkHz；測量介質(zhì)：空氣、液體、固體〔3根；0~350mm0mm〔無螺距差；測量方法：駐波法、相位法和時差法；液槽與測試架可分別，有利于液體存放；2.5%2.0%增加數(shù)字式環(huán)境溫度顯示表，溫度顯示范圍：0~50C，區(qū)分率0.1C。SV5型聲速測定專用信號源：〔1〕AC220V10%,50Hz輸出信號：正弦波，頻率27~50kHz連續(xù)可調(diào)，5位LED數(shù)字顯示；輸出電壓：15Vpp

，最大功率；10W；脈沖調(diào)制頻率：38.5kHz0.2ms；適用測量介質(zhì)：空氣、液體和固體。四．儀器的使用：依據(jù)試驗內(nèi)容不同，儀器使用前應按圖23號較強，那么必要時，儀器應有良好接地，以免外界雜散電場引起測定誤差。應用本儀器測定空氣中的聲速可分別實行駐波法〔干預法〕或者相位法〔行波法〕進展，也可以用時差法測量?，F(xiàn)分述如下：駐波法：由聲波傳播理論可知，當兩只換能器平衡端面間有聲波傳播而此兩換能器駐波。在聲波駐波中，波腹處聲壓最小、波節(jié)處聲壓最大。接收換能器的反射界面處為波節(jié)，聲壓應最大。所以可從接收換能器端面聲壓的變化，亦即是通過示波器，觀看接收換能器輸出電壓〔幅度〕的變化來推斷聲波駐波是否形成。搖動手柄，轉(zhuǎn)變兩只換能器商面間的距離，并同時監(jiān)測接收換能器輸出電壓幅度的變化，記錄相鄰兩次消滅最大電壓數(shù)值時標尺的讀數(shù)，則兩讀數(shù)之差確實定值應等于其聲波波長的二分之一。聲波頻率由頻率計從放射換能器的鼓舞電壓信號測出，這樣依據(jù)公式：vf就可算出聲波在空氣中的傳播速度。為提高測量精度應充分應用整個標尺行程，盡可能多的取得產(chǎn)生駐波時的標尺讀數(shù)，然后將所得的數(shù)據(jù)進展逐差法處理，這樣對波長1111的測定能更為準確。具體實施步驟如下：①兩只換能器的輸入和輸出插口，用導線接上相關儀器。②搖動手柄，使兩只換能器端面靠近，但不行接觸，否則會轉(zhuǎn)變放射換能器諧振頻率。③增加低頻信號發(fā)生器輸出正弦電壓的幅度，同時觀看和調(diào)整好接收羰監(jiān)測的示波器，當有接收輸出電壓指示后，認真調(diào)整信號發(fā)生器的輸出信號頻率，使放射換能器處于諧振狀態(tài)〔示波器上波形幅度最大。留意：信號發(fā)生器輸出電壓不宜超出15V這是由于：第一，換能器輸出功率與鼓舞電壓具有非線性關系，電壓高輸出不愿定大，而且還可能減小，換能器輸出功率的大小，打算于“電阻抗”和“機械阻抗”是否良好匹配〔電諧振和機械諧振的協(xié)作。其次，一般頻率計最高輸入電壓幅度為20V，鼓舞電壓過高則需增加分壓部件〔這里所指的電壓值均為有效值。④搖動手柄，漸漸加大兩只壓電換能器端面間的距離，同時監(jiān)測接收輸出指示，當每消滅一次最大數(shù)值時，讀取并記錄標尺指示數(shù)。為準確得到接收聲壓最強的位置，應認真緩慢地調(diào)整接收換能器位置。⑤按試驗要求測出所需數(shù)據(jù)個數(shù)，進展處理后，計算出聲波在空氣中的傳播速度。相位法：號與放射換能器輸入的鼓舞電信號的相位關系中得出。當接收點的波源的距離變化等于一個波長時，則接收點和波源的相位差也正好變化一個周期〔即2〕即可得出其對應聲波的波長，再依據(jù)聲波的頻率，即可求出聲波在空氣中的傳播速度。具體實施步驟如下：2x軸〔CH1)，接收換能器輸出電壓信號引入示波器y軸(CH2)〔一般示波器y軸靈敏度較高。留意調(diào)整示波器x,y軸衰減和增益旋紐，使示波器熒光屏上的李沙育圖形能便于觀看，按駐波中第三條調(diào)整，使放射換能器諧振。0或的位置。讀數(shù)并記錄。示波器熒光屏上具不同相位差的x,y41111(3)時差法：①空氣介質(zhì)：測量空氣聲速時,將專用信號源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“空氣”位置,放射換能器〔帶有轉(zhuǎn)軸〕用緊定螺釘固定，然后將話筒插頭插入接線盒中的插座中。S和S1 2

啟數(shù)顯表頭電源，并置0，再調(diào)整接收增益，使示波器上顯示的接收波信號幅度在300~40mV左右〔峰峰值，以使計時器工作在最正確狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值L 、t (時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出)；移動S，記i1 i1 2錄下這時的距離值和顯示的時間值Lti i記錄介質(zhì)溫度t(C)。

。則聲速V1

(Li

Li1

)/(ti

t ) 。i1需要說明的是，由于聲波的衰減，假設移動換能器使測量距離漸漸變大〔這時時間也變大〕時，假設測量時間值消滅跳變，則應順時針方向微調(diào)“接收放大”旋鈕，使信號增加，以補償信號的缺乏；反之測量距離變小時，假設測量時間值消滅跳變，可能是信號太強，此時應逆時針方向微調(diào)“接收放大”旋鈕，適當減小信號幅度，以確保計時器能正常計時。②液體介質(zhì)：當使用液體為介質(zhì)測試聲速時，先留神將金屬測試架從儲液槽中取出，取出時應用手指稍稍抵住儲液槽，再向上取出金屬測試架。然后向儲液槽注入液體，直至液面線處，但不要超過液面線。留意：在注入液體時，不能將液體淋在數(shù)顯表頭上，然后將金屬測試架裝回儲液槽。專用信號源上“聲速傳播介質(zhì)”置于“液體”位置，換能器的連接線接至測試架上的“液體”專用插座上，即可進展測試，步驟與1一樣。記錄介質(zhì)溫度t(C) 。③固體介質(zhì)：(只適合用時差法測量)測量非金屬〔有機玻璃棒、金屬〔黃銅棒〕固體介質(zhì)時，可按以下步驟進展試驗：將專用信號源上的“測試方法”置于“脈沖波”位置，“聲速傳播介質(zhì)”按測試材質(zhì)的不同，置于“非金屬”或“金屬”位置。再將待測的測試棒的一端面小螺柱旋入接收換能器中心螺孔內(nèi)，再將另一端面的小螺柱旋入能旋轉(zhuǎn)的放射換能器上，使固體棒的兩端面與兩換能器的平面牢靠、嚴密接觸，留意：旋緊時，應用力均勻，不要用力過猛，以免損壞調(diào)換測試棒時，應先拔動身射換能器尾部的連接插頭，然后旋動身射換能器的一端，再旋出接收換能器的一端。把放射換能器尾部的連接插頭插入接線盒的插座中，按圖5(b)接線，即可開頭測量。記錄信號源的時間讀數(shù)，單位為s。測試棒的長度可用游標卡尺測量得到并記錄。e．用以上方法調(diào)換其次長度及第三長度被測棒，重測量并記錄數(shù)據(jù)。f．用逐差法處理數(shù)據(jù)，依據(jù)不同被測棒的長度差和測得的時間差計算出被測棒的聲速。五．試驗范例〔僅以駐波法和相位法為例，表中數(shù)據(jù)僅供參考，不作為儀器驗收標準1．試驗工程：用駐波法測定聲波在空氣中的傳播速度輸入電壓15V輸入電壓15V輸入頻率37.855kHz環(huán)境溫度20C測量次數(shù)1-45-89-1225.2643.5561.85形成駐波時標29.8448.1366.43尺讀數(shù)mm34.4152.7071.0138.9857.2775.59SV61SV511平均值9.156mmVf37.8551039.156103346.60m/s相對誤差:E

100%V實V實V理

346.60346.60343.37

100%0.94%試驗工程：用相位法測定聲波在空氣中的傳播速度輸入電壓15V輸入電壓15V輸入頻率37.910kHz環(huán)境溫度22C0標尺讀數(shù)mm29.844標尺讀數(shù)mm48.158標尺讀數(shù)mm66.4634.42552.72971.03238.99657.301075.61343.57761.881180.18SV61臺SV51臺,1臺平均值9.154mmVf37.9101039.154103347.03m/sE

100%V實V實V理

347.03347.03344.539

100%0.72%附表 不同溫度下枯燥空氣中的聲速t(C)V(m/s)t(C)V(m/s)t(C)V(m/s)t(C)V(m/s)0331.45010.5337.76020.5343.66330.5349.4651.0332.05011.0337.05821.0343.95531.0349.7531.5332.35911.5338.35521.5344.24731.5350.0402.0332.66112.0338.65222.0344.53932.0350.3282.5332.96312.5338.94922.5344.83032.5350.6143.0333.26513.0339.24623.0345.12333.0350.9013.5333.56713.5339.54223.5345.41433.5350.1874.0333.86814.0339.83824.0345.70534.0350.4744.5334.1914.5340.13424.5345.99534.5351.7605.0334.47015.0340.42925.0346.28635.0352.0405.5334.77015.5340.72425.5346.57635.5352.3316.0335.07116.0341.01926.0346.86636.0352.6166.5335.37016.5341.31426.5347.15636.5352.9017.0335.67017.0341.60927.0347.44537.0353.1867.5335.97017.5341.90327.5347.73537.5353.4708.0336.26918.0342.19728.0348.02438.0353.7558.5336.56818.5342.49028.5348.31338.5354.0399.0336.86619.0342.78429.0348.60139.0354.3239.5337.16519.5343.00729.5348.88939.5354.60610.0337.46320.0343.37030.0349.17740.0354.8901tT本表計算公式：V1tTO六．儀器成套性：SV6型聲速測量組合儀 1臺SV5聲速測量專用信號源 1臺待測固體測試棒〔金屬〕 3根待測固體測試棒〔非金屬〕 3根Q9屏蔽線 3根說明書〔試驗講義〕 1份檢驗證 1份【附錄1】超聲波的放射與接收—壓電換能器1111和電壓之間的轉(zhuǎn)換。壓電換能器做波源具有平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時，由于頻率在超聲范圍內(nèi)，一般的音頻對它沒有干擾。頻和電壓之間的轉(zhuǎn)換。壓電換能器做波源具有平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時，由于頻率在超聲范圍內(nèi)，一般的音頻對它沒有干擾。頻就短，在不長的距離中可測到很多個的測定就比較準確。這些都可使試驗的精度大大提高。壓電換能器的構造示5。壓電換能器由壓電陶瓷片和輕、重兩種金屬組成。壓電陶瓷片〔如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等在簡潔狀況下，壓電材料受到與極化方向全都的應力T時，在極化方向上產(chǎn)生確定的電場強度EEgTU加在壓電材料上