实验六声速的测定Word文档下载推荐.docx

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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6-1所示为纵向换能器的结构简图。

（3）FD-SV-2声速测定仪

仪器主要由三部分组成：

声速测定装置、正弦信号发生器和示波器。

1）声速测定装置如图6-2所示

图6-2　数显声速测量装置结构图

1-电源开关;

2－位移显示;

3－位移显示置零;

4－位移调节;

5－信号输入;

6－超声发射器;

7－超声接收器;

8－接收信号输出;

9-转动导轨

图4中，6和7分别为超声发射器和超声接收器；

5和8分别为发射器信号输入和接收器信号输出；

1为数显游标卡尺电源开关；

2为位移显示；

3为位移显示置零；

4为位移调节。

2）声速测定装置分三部分：

A、超声波发射器和超声波接收器。

超声波传感器结构如图6-3所示。

超声波传感器的工作频率约为40KHz，其中超声波接收器与超声波发射器结构相似，只是两种压电晶片的性能有所差别。

接收型压电晶片的机械能转变为电能的效率高；

而发射型相反，电能转变机械能效率高。

B、数显游标卡尺。

它有一个位移传感器及液晶显示器。

游标移动时，能直接显示其移动距离，液晶显示器上有一个电源开关（图4中1），使用时打开，使用完毕即关断。

还有一置零开关（图4中3），正式测量前先将数字置零。

C、正弦波发生器。

其输出正弦波信号，频率连续可调。

图6-3超声波传感器

（a）外形图;

（b）电路符号;

（c）内部结构

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6-4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：

（6—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轴的入射波振方程为

（6—2）

输入Y轴的是由S2接收到的波动，其振动方程为：

（6—3）

图6-4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

（6—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6-5（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6-5（e）所示。

（a）（b）（c）（d）（e）

图6-5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21-2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

（6—5）

设沿X轴负向传播的反射波的波动方程为

（6—6）

（6—7）

由（7）式可知，当：

，k=0，1，2，3……；

（6—8）

即

，k=0，1，2，3……时，这些点的振幅始终为零，即为波节。

当：

（6—9）

，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，且声波波腹的振幅比最大值小得多。

由上式可知，当S1和S2之间的距离L恰好等于半波长的整数倍时，即

形成驻波，示波器上可观察到较大幅度的信号，不满足条件时，观察到的信号幅度较小。

移动S2，对某一特定波长，将相继出现一系列共振态，任意两个相邻的共振态之间，S2的位移为，

（6—10）

所以当S1和S2之间的距离L连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期性变化，相当于S1和S2之间的距离改变了

此距离

可由读数标尺测得，频率ν由信号发生器读得，由

即可求得声速。

实验内容

（1）声速测试仪系统的连接与调试

在接通市电后，信号源自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态，预热15min。

声速测试仪和声速测试仪信号源及双踪示波器之间的连接如图6-4所示。

1测试架上的换能器与声速测试仪信号源之间的连接

信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出相应频率的功率信号，接至测试架左边的发射换能器（S1）；

仪器面板上的接收端的换能器接口（S2），请连接测试架右边的接收换能器（S2）。

2示波器与声速测试仪信号源之间的连接

信号源面板上的发射端的发射波形（Y1），接至双踪示波器的CH1（X），用于观察发射波形；

信号源面板上的接收端的接收波形（Y2），接至双踪示波器的CH2（Y），用于观察接收波形。

（2）测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点

只有当换能器S1和S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果；

为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到发射换能器S1谐振频率点处，才能较好地进行声能与电能的相互转换，提高测量精度，以得到较好的实验效果。

超声换能器工作状态的调节方法如下：

各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出电压（100mV～500mV之间），调节信号频率（在25～45kHz），观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5～37.5kHz之间）电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点，记录频率νi，改变S1和S2之间的距离，适当选择位置（即：

至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置），再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均值

0。

（3）用相位比较法（李萨如图形）测量波长

1）将测试方法设置到连续波方式，连好线路，把声速测试仪信号源调到最佳工作频率

0。

2）调节示波器：

①打开示波器，先把“辉度”（INTEN）、“聚焦”（FOCUS）、“X位移”（POSITION）和“Y位移”（POSITION）旋扭旋至中间位置；

②“扫描方式”（SWEEPMODE）选择“自动”（AUTO）；

③“耦合”（COUPLING）选择“AC”；

④“触发源”（SOURCE）选择“INT”；

⑤输入信号与垂直放大器连接方式（AC-GND-DC）选择“AC”；

⑥“内触发”（INTTRIG）选择“CH1-X-Y”；

⑦把“选择扫描时间”（TIME/DIV）旋扭旋至“X-Y”，在“Y方式”（VERTMODE）内，按下“CH2-X-Y）”按钮，使S2轻轻靠拢S1，然后缓慢移离S2，观察示波器的波形。

当示波器所显示的李萨如图形如图21-3中（a）时，记下S2的位置X1适当调节示波器上的“V/cm”或信号源上的“发射强度”，可提高灵敏度；

⑧依次移动S2，记下示波器上波形由图21-3中（a）变为图21-3中（e）时，读数标尺位置的读数X2、X3、X4,…共12个值；

⑨记下室温t；

⑩用逐差法处理数据。

（4）干涉法（驻波法）测量波长

1）按图21-2所示连接好电路；

2）将测试方法设置到连续波方式，把声速测试仪信号源调到最佳工作频率

将示波器的触发源（SOURCE）选择“LINE”，“选择扫描时间”（TIME/DIV）旋至2µ

s处。

再共振频率下，将S2移近S1处，缓慢移离S2，当示波器上出现振幅最大时，记下读数标尺位置X1´

；

3）依次移动S2，记下各振幅最大时的X2´

、X3´

…共12个值；

4）记下室温t；

5）用逐差法处理数据。

（5）实验中应注意的问题：

1）换能器发射端与接收端间距一般要在5cm以上测量数据，距离近时可把信号源面板上的发射强度减小，随着距离的增大可适当增大；

2）示波器上图形失真时可适当减小发射强度；

测试最佳工作频率时，应把接收端放在不同位置处测量5次，取平均值。

数据处理

室温t=oC

（1）陶瓷换能器系统最佳工作频率

次数i

1

2

3

4

5

平均值

（2）相位比较法测量声速

标尺读数（mm）

相距6个λ的距离（mm）

X1=

X7=

△X1=

X2=

X8=

△X2=

X3=

X9=

△X3=

X4=

X10=

△X4=

X5=

X11=

△X5=

X6=

X12=

△X6=

=

mm

=m/s

已知声速在标准大气压下与传播介质空气的温度关系为：

Vs=（331.45+0.59t）m/s

m/s

（3）共振干涉法测量声速（根据课时选做内容）

相距6个λ的距离（mm）

X1´

X7´

△X1´

X2´

X8´

△X2´

X3´

X9´

△X3´

X4´

X10´

△X4´

X5´

X11´

△X5´

X6´

X12´

△X6´

´

=mm

=m/s

思考题

1．共振干涉法的理论根据是什么？

怎样安装仪器？

观察现象？

2．位相比较法的理论根据是什么？

图形如何变化？

3．实验前为什么要调整测试系统的谐振频率？

怎样进行调整？