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太原理工大学. 空气中声速的测定. 朱林彦. 一、声波的基本知识. 1 、横波与纵波;超声波; 2 、理想气体中的声速值 式中 B 是气体的体变弹性模量; 是气体密度; ,有水蒸气时应予修正: 式中 P 水 是水蒸气的分压强。. 3 、位移波与声压波; 4 、驻波的形成; 5 、不同介质界面上机械波耦合作用,特 性阻抗; 6 、增强耦合效率的措施: ① 调整到共振频率; ② 采用变幅杆与增强片。. 声波在生活和科技中的应用. 1 、信息交流(助听器);
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太原理工大学 空气中声速的测定 朱林彦
一、声波的基本知识 1、横波与纵波;超声波; 2、理想气体中的声速值 式中B是气体的体变弹性模量; 是气体密度; ,有水蒸气时应予修正: 式中P水是水蒸气的分压强。
3、位移波与声压波; 4、驻波的形成; 5、不同介质界面上机械波耦合作用,特 性阻抗; 6、增强耦合效率的措施: ① 调整到共振频率; ② 采用变幅杆与增强片。
声波在生活和科技中的应用 1、信息交流(助听器); 2、地震探矿,地震预报(利用地震波中纵波与横波波速的不同); 3、医学应用:B超与彩超(利用人体不同结构中声速的不同); 4、无损检测(利用两种不同介质表面对声波的反射); 5、海洋应用(声呐):鱼群探测,海底地貌,军舰与潜艇; 6、液位检测,倒车雷达。
二、预 习 提 要 1、 压电换能器的工作原理 2、共振干涉法和相位比较法测声速的原理 3、示波器的调整与使用 4、逐差法处理数据的方法 5、设计待测量的数据记录表格
三、实验要求与目的 1、了解超声压电换能器的结构和工作原理; 2、 熟悉示波器和低频信号发生器的使用; 3、用共振干涉法和相位比较法测量空气中的 声速。 4、学会用最小二乘法或逐差法处理数据,并对结果的不确定度进行分析。
四、实 验 装 置 超声声速测定仪 频率计 示波器 Y 发射换能器 接收换能器 信号发生器 S1 S2 共振干涉法实验装置 (相位比较法只需将信号发生器输出的信号加在示波器的X端)
传感器内部结构 压电陶瓷片 电输入或输出端 铝外壳
一通道 增益调节 时基扫描 二通道 增益调节 显示屏 聚焦 开关 第一通道 第二通道 辉度
信号发生器 波形选择 开关 频率调节 频率范围选择 信号输出
五、实 验 原 理 (一)、超声压电换能器的工作原理 1、压电效应与电致伸缩效应(逆压电效应); 2、压电陶瓷换能器的谐振频率f0的调整与测量; 3、超声声速测定仪介绍。
(二)、声速测量的基本方法 1、 共振干涉法(驻波法) p 波腹 L 干涉而成驻波 波节 S1发射 S2反射 L S2表面声压与其位置的关系
1、 共振干涉法(驻波法) 位移波 S2 S1 声压波
1、 共振干涉法(驻波法) 结论:每两个相临波腹(波节)间的距离为
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • y p p y x 声波传播中的位移波与声压波 1、 共振干涉法(驻波法)
2、 相位比较法(行波法) :传播时间; :角频率; :相位差;
3、相位比较法(利萨如图形法) 接X通道, 接Y通道,移动 得到如下李萨如图形: 结论:每次出现重复图形 移动的距离为
4、时基脉冲法(时差法) 时差法波形图
5、超声 光栅法
六、实 验 内 容 按实验装置图接线,使发射头和接收头的端面尽量平行; 共振频率,调整函数发生器的输出频率,使接收头输出的电信号幅度最大; 共振干涉法测波长,记录示波器上波形相继出现10个极大值所对应的接收头的坐标; 相位比较法测波长,记录示波器上图形相继出现10个相同李萨如图形时所对应的接收头的坐标。
七、数据记录与处理 1.逐差法计算波长 和 , 得到超声波速度 及其不确定度 。 2.最小二乘法处理数据,得到波长 和 , 计算得到超声波速度 及其不确定度 。
八、注意事项 1. 使用过程中应避免输出短路。 2. 为保证性能稳定,应预热10分钟后再使用。 3. 调节仪器旋钮要轻缓,以免损坏。 4. 信号发射器的信号输出幅度不要过大,避免仪器过热而损坏。 5. 使用游标尺测量移动距离时,必须轻而缓慢地调节,手勿压游标尺。
八、注意事项 6. 实验中S2的测量必须是连续进行的,决不可进行跳跃式测量。 7. 信号源电源开关打开后,S1与S2发射面和接收面要保持相互平行并S1与S2间距必须大于3cm。实验时要使函数信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率,并且在实验过程中保持不变。
九、思 考 题 1. 形成驻波的条件是什么?两压电换能器的端面为什么要平行? 2. 声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同? 3. 为什么要在谐振频率条件下进行测量?如何调节和判断测量系统是否处于谐振状态? 4. 相位比较法测量声速时,选择什么样的李萨如图形进行测量?为什么?