三种测试方法测试声速.docx

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三种测试方法测试声速

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三种测试方法测试声速

一、实验目的

掌握丈量声速的几种方法

实质丈量声速

二、实验仪器

SV-DH系列声速测试仪为察看、研究声波在不一样介质中流传现象，丈量这

些介质中声波流传速度的专用仪器。

它们都由声速专用测试架及专用信号源

二部分构成。

仪器可用于大学基础物理实验。

SV-DH系列声速测试仪不只覆盖了基础物理声速实验中常用的二种测试

方法，并且，在上述惯例丈量方法基础上还可以够用工程中实质使用的声速测

量方法时差法进行丈量。

在时差法工作状态下，使用示波器，能够特别显然、

直观地察看声波在流传过程中经过多次反射、叠加而产生的混响波形。

型号与构成

SV-DH系列声速测试仪是由声速测试仪（测试架）和声速测试仪信号源二

个部分构成。

以下声速测试仪都可增添固体声速丈量装置，用于固体声速的

丈量。

关于声速测试架，有以下型号：

SV-DH-3型声速测定仪（支架式、千分尺读数）；

SV-DH-3A型声速测定仪（支架式、数显容栅尺读数）；

SV-DH-5型声速测定仪（液槽式、千分尺读数）；

SV-DH-5A型声速测定仪（液槽式、数显容栅尺读数）；

SV-DH-7型声速测定仪（液槽可脱卸、千分尺读数）。

SV-DH-7A型声速测定仪（液槽可脱卸、数显容栅尺读数）。

关于信号源，有以下型号：

SVX-3型声速测定信号源（频次范围20kHz～45kHz，带时差法丈量脉冲信号

源）；

SVX-5型声速测定信号源（频次范围20kHz～45kHz，带时差法丈量脉冲信号源）；

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SVX-7型通用信号源（频次范围50Hz～50KHz、带时差法丈量脉冲信号源）；

图1列出SVX-5、SVX-7声速测试仪信号源面板，图2为声速测试仪外形表示图。

SVX-5综合声速测定仪信号源

脉冲波

固体

液体

连续波

气体

图1SVX-5、SVX-7声速测试仪信号源面板调理旋钮的作用：

信号频次：

用于调理输出信号的频次；

发射强度：

用于调理输出信号电功率（输出电压）；接收增益：

用于调理仪器内部的接收增益。

图2声速测试架外形表示图

主要技术参数

1.SV-DH声速测试仪

环境适应性：

工作温度10～35℃；相对湿度25～75%。

抗电强度：

仪器能耐受50Hz正弦波500V电压1min耐压试验。

配对压电陶瓷换能器：

谐振频次：

35±3kHz；可蒙受的连续电功率不

小于15W。

两换能器之间测试距离：

50～280mm（支架式）、

50～350mm（水槽式）

外形：

测试架外形尺寸：

480mm×140mm×152mm（支架式）

530mm×140mm×160mm（水槽式）

2.SVX-3型声速测试仪信号源功率信号源

频次范围：

25kHz～45kHz

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最大输出电压：

15Vp-p

最大输出功率：

5W

频次显示：

5位LED数字显示

脉冲调制信号源

信号频次：

脉冲宽度：

200μs

脉冲周期：

8ms

计数准时器

计数准时范围：

1μs～1s

分辨率：

1μs

仪器外形尺寸：

290mm×240mm×120mm

3.SVX-5型综合声速测试仪信号源空气和液体切换丈量

其余同SVX-3型声速测试仪信号源

4.SVX-7型通用信号源

空气、液体和固体介质切换丈量

频次范围：

50～500Hz，500～5kHz，5kHz～50kHz

其余同SVX-3型声速测试仪信号源

三、实验原理

1.超声波与压电陶瓷换能器

频次20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中流传形成声波，高于20kHz称为

超声波，超声波的流传速度就是声波的流传速度，而超声波拥有波长短，易

于定向发射等长处，声速实验所采纳的声波频次一般都在20～60kHz之间。

在

此频次范围内，采纳压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器成效最正确。

正负电极片

后盖反射板

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压电陶瓷片

辐射头

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图3纵向换能器的构造简图。

压电陶瓷换能器依据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振

动）换能器及曲折振动换能器。

声速教课实验中所用的大部分采纳纵向换能

器。

图3为纵向换能器的构造简图。

2.共振干预法（驻波法）丈量声速

假定在无穷声场中，仅有一个点声源S1（发射换能器）和一个接收平面

（接收换能器S2）。

当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即

接收换能器平面），并且只产生一次反射。

在上述假定条件下，发射波ξ1=Acos（ωt+2πx/λ）。

在S2处产生反射，反射波ξ2=A1cos（ωt+2πx/λ），信号相位与ξ1相反，幅度A1＜A。

ξ1与ξ2在反射平面订交叠加，合成波束ξ3

ξ3=ξ1+ξ2=（A1+A2）cos（ωt-2πx/λ）+A1cos（ωt+2πx/λ）

=A1cos（2πx/λ）cosωt+A2cos（ωt-2πx/λ）

因而可知，合成后的波束ξ3在幅度上，拥有随cos（2πx/λ）呈周期变化

的特征，在相位上，拥有随（2πx/λ）呈周期变化的特征。

图4所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos（2πx/λ）变化的

特点。

接收到的信号幅度的包络波

发射换能器与接收换能器之间的距离

图4换能器间距与合成幅度

实验装置按图7所示，图中S1和S2为压电陶瓷换能器。

S1作为声波发射器，它由信号源供应频次为数十千赫的沟通电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压变换成电信号。

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将它输入示波器，我们便可看到一组由声压信号产生的正弦波形。

因为

S2在

接收声波的同时还可以反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有

差别，但两者周期同样且在同一线上沿相反方向流传，两者在

S1和S2地区内

产生了波的干预，形成驻波。

我们在示波器上察看到的其实是这两个相关

波合成后在声波接收器S2处的振动状况。

挪动

S2地点（即改变S1和S2之间的

距离），你从示波器显示上会发现，当

S2在某此地点时振幅有最小值。

依据

波的干预理论能够知道：

任何二相邻的振幅最大值的地点之间（或二相邻的

振幅最小值的地点之间）的距离均为λ

/2。

为了丈量声波的波长，能够在一

边察看示波器上声压振幅值的同时，迟缓的改变

S1和S2之间的距离。

示波器

上就能够看到声振动幅值不停地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅

最大之间的距离为λ/2；S2挪动过的距离亦为λ/2。

超声换能器

S2至S1之间

的距离的改变可经过转动鼓轮

来实现，而超声波的频次又可由声速测试仪信号源频次显示窗口直接读出。

图5用李萨如图察看相位变化

在连续多次丈量相隔半波长的S2的地点变化及声波频次f此后，我们可运用丈量数据计算出声速，用逐差法办理丈量的数据。

3.相位法丈量原理

由前述可知入射波ξ1与反射波ξ2叠加，形成波束ξ3

即ξ3=A1cos（2πx/λ）cosωt+A2cos（ωt-2πx/λ）

即关于波束：

ξ1=Acos（ωt-2πx/λ）

因而可知，在经过△x距离后，接收到的余弦波与本来地点处的相位差（相

移）为θ=2π△x/λ。

如图5所示。

所以能经过示波器，用李萨如图法察看

测出声波的波长。

4.时差法丈量原理

连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传

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播，经过t时间后，抵达L距离处的接收换能器。

由运动定律可知，声波在介

质中流传的速度可由以下公式求出：

速度V=距离L/时间t

图6发射波与接收波

经过丈量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t,就能够计算出目前

介质下的声波流传速度。

四、实验步骤

图7驻波法、相位法连线图

1.仪器在使用以前，加电开机预热15min。

在接通市电后，自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态。

2.驻波法丈量声速。

丈量装置的连结

如图7所示，信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出必定频

率的功率信号，请接至测试架的发射换能器（S1）；信号源面板上的发射端

的发射波形Y1，请接至双踪示波器的CH1（Y1），用于察看发射波形；接收换能器（S2）的输出接至示波器的CH2（Y2）

测定压电陶瓷换能器的最正确工作点

只有当换能器S1的发射面和S2的接收面保持平行时才有较好的接见效

果；为了获取较清楚的接收波形，应将外加的驱动信号频次调理到换能器S1、

S2的谐振频次点处时，才能较好的进行声能与电能的相互变换（实质上有一

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个小的通频带），以获取较好的实验成效。

依据调理到压电陶瓷换能器谐振

点处的信号频次，预计一下示波器的扫描时基t/div，并进行调理，使在示波

器上获取稳固波形。

超声换能器工作状态的调理方法以下：

各仪器都正常工作此后，第一调

节发射强度旋钮，使声速测试仪信号源输出适合的电压（8～10VP-P之间），再

调整信号频次（在25～45kHz），选择适合的示波器通道增益（一般～1V/div之

间的地点），察看频次调整时接收波的电压幅度变化，在某一频次点处（～之

间）电压幅度最大，此频次即是压电换能器S1、S2相般配频次点，记录频次

FN，改变S1和S2间的距离，适入选择地点，从头调整，再次测定工作频次，

共测5次，取均匀频次f。

丈量步骤

将测试方法设置到连续波方式，适合选择相应得测试介质。

达成前述、

步骤后，察看示波器，找到接收波形的最大值。

而后转动距离调理鼓轮，这

时波形的幅度会发生变化，记录下幅度为最大时的距离Li-1，距离由数显尺（数

显尺原理说明见附录2）或在机械刻度上读出，再向前或许向后（一定是一个

方向）挪动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离Li。

即

有：

波长λi=2│Li-Li-1│，多次测定用逐差法办理数据。

3.相位法/李萨如图法丈量波长的步骤

将测试方法设置到连续波方式，适合选择相应的测试介质。

达成前述、

步骤后，将示波器打到“X-Y”方式，并选择适合的通道增益。

转动距离调理

鼓轮，察看波形为必定角度的斜线，记录下此时的距离Li-1；距离由数显尺（数

显尺原理说明见附录2）或机械刻度尺上读出，再向前或许向后（一定是一个

方向）挪动距离