声速的测量.doc

(完整word版)声速的测量(完整word版)声速的测量(完整word版)声速的测量声速的测量1.实验目的（1）了解声速测量仪的结构和测试原理；（2）通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能；（3)用共振干涉法和相位比较法测量声速，并加深有关共振、振动合成、波的干涉等理论知识的理解；（4）进一步掌握示波器、低频信号发生器和数字频率计的使用。2。实验仪器SV—DH系列声速测试仪，SVX-5型声速测试仪信号源,双踪示波器（20MHz)。3。仪器简介（1）声波频率介于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。(2)压电陶瓷换能器SV—DH系列声速测试仪主要由压电陶瓷换能器和读数标尺组成。压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。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=CT；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：S=KU，C为比例系数，K为压电常数，与材料的性质有关。由于E与T,S与U之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源.即压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器,反过来也可以使声压变化转化为电压变化,即用压电陶瓷片作为声频信号接收器。因此，压电换能器可以把电能转换为声能作为声波发生器，也可把声能转换为电能作为声波接收器之用。压电陶瓷换能器根据它的工作方式，可分为纵向（振动）换能器、径向（振动)换能器及弯曲振动换能器。图1所示为纵向换能器的结构简图.图1纵向换能器的结构4。实验原理根据声波各参量之间的关系可知V=λν,其中V为波速，λ为波长,ν为频率。在实验中，可以通过测定声波的波长λ和频率ν求声速。声波的频率ν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。(1）相位比较法实验装置接线如图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，在发射波和接收波之间产生相位差：（1)因此可以通过测量来求得声速。的测定可用相互垂直振动合成的李萨如图形来进行。设输入X轴的入射波振动方程为（2）输入Y轴的是由S2接收到的波动，其振动方程为:(3）图2实验装置上两式中：A1和A2分别为X、Y方向振动的振幅，为角频率，和分别为X、Y方向振动的初相位，则合成振动方程为（4）此方程轨迹为椭圆，椭圆长、短轴和方位由相位差决定。当＝0时，由式得，即轨迹为处于第一和第三象限的一条直线,显然直线的斜率为。如图3(a)所示;＝时,得,则轨迹为处于第二和第四象限的一条直线如图3（e）所示。（a）（b）(c)(d)（e）图3合成振动改变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，则＝。随着振动的相位差从0～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,测得了波长和频率,根据式即可计算出室温下声音在媒质中传播的速度。(2)共振干涉（驻波）法测声速实验装置接线仍如图2所示，图中S1和S2为压电陶瓷超声换能器。S1作为超声源（发射头）,低频信号发生器输出的正弦交变电压信号接到换能器S1上，使S1发出一平面波.S2作为超声波接收头，把接收到的声压转换成交变的正弦电压信号后输入示波器观察.S2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样,由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1和S2之间产生定域干涉,而形成驻波。设沿X轴正向传播的入射波的波动方程为（5）设沿X轴负向传播的反射波的波动方程为（6）（7）由（7)式可知，当:,k=0，1，2，3……;(8）即，k=0,1,2，3……时，这些点的振幅始终为零，即为波节。当：，k=0，1，2,3……；(9）即，k=0，1，2，3……时，这些点的振幅最大，等于2A,即为波腹.故知，相邻波腹（或波节)的距离为.对一个振动系统来说，当振动激励频率与系统固有频率相近时，系统将发生能量积聚产生共振，此时振幅最大。当信号发生器的激励频率等于系统固有频率时，产生共振，声波波腹处的振幅达到相对最大值。当激励频率偏离系统固有频率时，驻波的形状不稳定，