水中声速和温度关系的实验研究.doc

水中声速和温度关系的实验研究超声波是一种研究液体分子物理特性及其化学特性的简易方法早在20世纪70年代人们就重视用超声波进行液体分子物理及其相关性质的研究[1-5]90年代又有不少研究报道[6-9]。但是声速随温度变化复杂需要我们做进一步的探索。本文利用时差法来测量了超声波在液体中的传播特性。下面具体介绍利用超声波测定声波在水中的传播速度随温度变化的测量原理和测量方法。2实验原理2.1时差法测量声速时差法测量声速是利用已知声波传播的距离测量发射脉冲和接收脉冲之间的时间差。计算出声速在液体中的传播速度即超声波[10](1)时差法其中▽L的是位移之差▽T是传播所用的时间。在储液槽中注入液体直至将换能器完全浸没但不能超过液面线。注意:注入液体时不能将液体淋在数字显示表头上。将专用信号源上的“声速传播介质”置于“液体”位置换能器的连接端应在接线盒上的“液体”专用插座上。测量液体声速时由于在液体中声波的衰减较小因而存在较大的回波叠加并且在相同频率的情况下其波长要大得多用驻波法和相位法测量时可能会有较大的误差所以建议采用时差法测量。2.2陶瓷换能器工作原理频率在20Hz~20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成超声波超过20KH超声波超声波的传播速度就是声波的传播速度而超声波长短易于定向发射等优点[11]声速实验声速所采用的声波频率一般都在20~60kHz之间。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效果最佳。压电陶瓷换能器根据它的工作方式分为纵向(振动)换能器。声速教学实验中大多数采用纵向换能器。图3为纵向换能器的结构用示波器观察波谷和波峰或观察两个波间的相位差原理是正确的但读数位置不易确定。较精确测量声速是用声波时差法。时差法在工程中得到了广泛的应用它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上声波在介质中传播经过时间后到达距离处的接收陶瓷换能器图2水中声速与温度关系的实验研究3实验方法3.1时差法测量声速操作方法(1)实验时只要按图3连接中换能器的S2该接在信号源的S2上再把信号源上的Y1Y2顺次与示波器上的Y1Y2接通即可。(2)将测试方法设置到脉冲波方式将换能器的S1S2调节到一定距离在调解接收增益使得显示的时间差值读数稳定此时仪器内置的计数器工作在最佳状态记录此时的距离值和时间值。移动S2如果计时器读数有跳变则微调接收增益(距离大时顺时针调节;距离小时逆时针调节)使得计数器连续稳定的变化。(3)将测试方法设置到脉冲波方式。(4)在仪器使用前开启电源预热15min。接通市电后自动工作在连续波方式选择蒸馏水为介质。“传播介质”按钮选择液体。(5)将S1和S2之间的距离调到一定距离(≥50mm)再调节接收增益使示波器上显示的接收波信号幅度在400mV左右(峰—峰值)以使计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值Li、(时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)。保持距离不变随着温度的逐渐降低记录下当时的时间值。(6)当使用液体为介质测试声速时先在测试槽中注入液体直到把换能器完全浸没但不能超过液面线。然后将信号源面板上的介质选择键切换至“液体”并将连线接至插入接线盒的“液体”接线孔中即可进行测试步骤与上相同。3.2时差法线路连接图声速4记录数据和数据处理4.1记录数据测量次数i温度T(℃)距离L(㎜)时间t(us)120216.51164227216.51163336216.51162448216.51161559216.51160670216.51159773216.51158表1蒸馏水中温度与速度关系实验研究数据测量次数i温度T(℃)距离L(㎜)时间t(us)120216.51144230216.51143340216.51142454216.51141558216.51140662216.51139766216.51138870216.51137973216.52136表2自来水中温度与速度关系实验研究数据记录4.2数据处理由时差法速度由计算公式水中声速与温度关系的实验研究[10]可得。例如V=L/t=216.51/164=1320m/s其余计算结果见下表:测量次数i温度T(℃)距离L(㎜)时间t(us)速度v(m/s)120216.511641320227216.511631328336216.511621336448216.511611344559216.5116013536