第四实验--用相位法测声速

实验四用相位法测声速一、实验目的1.、学习用相位法测量空气中的声速。2.、了解空气中的声速与温度的关系。3、提高声学、电磁学等不同类型仪器的综合使用能力。4、了解换能器的原理及工作方式。二、实验仪器综合声速测定仪、综合声速测定仪信号源、双综示波器。三、实验原理测量声速一般的方法是在给定声音信号的频率f情况下，测量声信号的波长，由公式vf，计算出声速v。相位法测量声速的原理。由信号源产生的一正弦波信号，一方面由“示波器”端钮将信号送入示波器的“CH1（X轴）”，另一方面由“换能器”端钮将信号送入综合测定仪的“S1”，再传送到“S2”，然后送入示波器的“CH2(Y轴)”。在示波器上将显示出两个频率相等、振动方向相互垂直、位相差恒定的利萨如图形。由于两信号到达时间不同（或存在有波程差）而产生相位差。2L相位差不同，利萨如图形也不同。如1sin()XAt2sin()YAt两者相位相同或相位差为2的整数倍，合成为一条直线。如果两者相位差为2的奇数倍，即1sin()2XAt2sin()YAt合成后的利萨如图形为椭圆。可见利萨如图形随相位差的变化而改变。当连续移S2，以增大S1与S2之间的距离时L，利萨如图从直线到椭圆再到直线变化，如图2所示。当L改变一个波长时，两信号的相位差改变2，图形就重复变化。这样就可以测量出波长的长度。四、实验步骤1、按图1接线，将换能器间距离调整到约50mm。信号源输出频率为0f，大约为36000ZH。2、打开示波器电源，预热5分钟，待出现一条绿色的水平线。将开关置于“CH1”，显示X方向的正弦波形，然后将开关置于”CH2”,显示Y方向的波形。应使两者的幅度大致相等。幅度不应过大。3、将示波器的旋钮旋到XY位置，示波器出现“椭圆”图形。将图形调至中间。旋转声速测定仪上的手轮，看图形的变化规律，看是否是从左到右再从右到左变化。4、将利萨如图形调成一条直线，并记住直线的位置。打开自动记录仪的电源开关，并清零。5、转动声速测定仪上的手轮，逐步增大换能器间距，观察相应的李萨如图形，直到图形再回到开始的直线位置时，记录下记录仪上的读数，记录信号源上的频率。6、重复步骤5。记录8组数据，填在相应的表内。五、数据记录六、数据处理计算平均波长12344波长绝对误差421()41ii平均频率81nnff频率绝对误差821()81nnfff计算平均声速vf相对误差22()()vfEf绝对误差vvEv(/)vvvms实验十超声声速的测定[实验目的]1．了解超声波的发射和接收及换能器的原理和功能。序号()nZfH()nLmm3()nnnlLLmmi14nl()mm123456782．理解掌握用共振干涉法、相位比较法和时差法测声速的原理和技术。3．进一步熟悉示波器和信号源的使用方法。4．学会用逐差法处理数据。[实验器材]1．SV-DH-7A型声速测定仪，可用于气体、液体和固体中的声速测定。SVX-7声速测定仪信号源（频率50Hz-50KHz,带时差法测量脉冲信号源）。2．双踪示波器3．固体介质棒材等。[仪器描述]SV-DH-7A型声速测试仪是由声速测试器信号源和声速测试架二个部分组成，见图10-1和图10-2。图10-1SVX-7声速测试仪信号源面板图10-2声速测试架外形示意图信号源调节旋钮的作用：信号频率：用于调节输出信号的频率发射强度：用于调节输出信号、电功率（输出电压）接收增益：用于调节仪器内部的接收增益。将声速测试架、信号源和双踪示波器按图10-7连接即可进行实验。[实验原理]1．超声波与压电陶瓷换能器频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz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，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz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。压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图3为纵向换能器的结构简图。2．共振干涉法（驻波法）测量声速假设在无限声场中，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）。当图10-3纵向换能器的结构简图点声源发出声波后，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。在上述假设条件下，发射波y1=Acos（ωt+2πx/λ）。在S2处产生反射，反射波y2=A1cos（ωt+2πx/λ），信号相位与y1相反，幅度A1＜A。y1与y2在反射平面相交叠加，合成波束y3y3=y1+y2=(A1+A2）cos（ωt-2πx/λ)+A1cos（ωt+2πx/λ)=A1cos(2πx/λ)cosωt+A2cos（ωt-2πx/λ）由此可见，合成后的波束y3在幅度上，具有随cos(2πx/λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx/λ)呈周期变化的特性。图4所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx/λ)变化的特征。后盖反射板压电陶瓷片辐射头正负电极片图10-4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，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，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转换成电信号。将它输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1和S2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。移动S2位置（即改变S1和S2之间的距离），你从示波器显示上会发现，当S2在某此位置时振幅有最小值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为λ/2。为了测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的改变S1和S2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断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移动过的距离亦为λ/2。超声换能器S2至S1之间的距离的改变可通过转动鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。图10-5用李萨如图观察相位变化发射换能器与接收换能器之间的距离接收到的信号幅度的包络波在连续多次测量相隔半波长的S2的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。3．相位法测量原理由前述可知入射波y1与反射波y2叠加，形成波束y3即y3=A1cos(2πx/λ)cosωt+A2cos（ωt-2πx/λ）即对于波束：y1=Acos（ωt-2πx/λ)由此可见，在经过△x距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差（相移）为θ=2π△x/λ。如图5所示。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长。4．时差法测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，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度v=距离L/时间t图10-6发射波与接收波通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。[实验步骤]图10-7驻波法、相位法连线图1．仪器在使用之前，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．驻波法测量声速。(1)测量装置的连接如图7所示，信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出一定频率的功率信号，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），用于观察发射波形；接收换能器（S2）的输出接至示波器的CH2（Y2）(2)测定压电陶瓷换能器的最佳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换能器S1、S2的谐振频率点处时，才能较好的进行声能与电能的相互转换（实际上有一个小的通频带），以得到较好的实验效果。按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率，估计一下示波器的扫描时基t/div，并进行调节，使在示波器上获得稳定波形。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，首先调节发射强度旋钮，使声速测试仪信号源输出合适的电压（8～10VP-P之间），再调整信号频率（在25～45kHz），选择合适的示波器通道增益（一般0.2V～1V/div之间的位置），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，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，记录频率FN，改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重新调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率f。(3)测量步骤将测试方法设置到连续波方式，合适选择相应得测试介质。完成前述2.1、2.2步骤后，观察示波器，找到接收波形的最大值。然后转动距离调节鼓轮，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，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，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│，多次测定用逐差法处理数据。3．相位法/李萨如图法测量波长的步骤将测试方法设置到连续波方式，合适选择相应的测试介质。完成前述2.1、2.2步骤后，将示波器打到“X-Y”方式，并选择合适的通道增益。转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，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，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，记录下此时的距离Li。即有：波长λi=│Li-Li-1│4．干涉法/相位法测量数据处理已知波长λi和频率fi，（频率由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。）则声速Ci=λi×fi。因声速还与介质温度有关，所以必要时请记下介质温度t℃。5．时差法测量声速步骤图10-8时差法测量声速接线图按图8所示进行接线。将测试方法设置到脉冲波方式，并选择相应的测试介质。将S1和S2之间的距离调到一定距离（大于50～80mm），再调节接收增益（一般取较小的幅度），使显示的时间差值读数稳定，此时仪器内置的计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和信号源计时器显示的时间值Li-1、ti-1。移动S2，如果计时器读数有跳字，则微调（距离增大时，顺时针调节；距离减小时，逆时针调节）接收增益，使计时器读数连续准确变化。记录下这时的距离值和显示的时间值Li、ti。则声速Ci=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。当使用液体为介质测试声速时，先在测试槽中注入液体，直至把换能器完全浸没，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”，即可进行测试，步骤相同。6*．固体介质中的声速测量在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关。金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播，只在特殊情况下为纵波。固体介质中的声速测量需另配专用的SVG固体测量装置，用时差法进行测量。实验提供两种测试介质：塑料棒和铝棒。每种材料有长、中、短三根样品，塑料棒的长度分别为160mm、120mm、80mm；金属棒的长度分别为180mm、130mm、80mm。对于每种材料的固体棒，只需测两根样品，即可按上面的方法算出声速：Ci=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。测量时，按图8接线。为了得到准确的测