声速的测量

声速的测量HuainanNormalUniversity声速的测量1、预习思考2、实验目的3、实验仪器4、实验原理5、实验内容6、课后思考2020/5/26声速的测量1HuainanNormalUniversity1、预习思考①共振干涉法的理论依据是什么？何谓系统共振态？②相位比较法的理论依据是什么？⑤本实验选择在超声波范围内进行，这样做有什么好处？③用共振法和用相位比较法测声速时，接线有何不同？④声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？2020/5/26声速的测量3HuainanNormalUniversity2、实验目的①学会使用示波器和信号发生器。②学会用共振干涉法和位相法测量超声波在气体、液体、固体中的传播速度。④加强对驻波及振动合成等理论的理解③了解压电陶瓷换能器的功能2020/5/26声速的测量4HuainanNormalUniversity3、实验仪器声速测量仪、示波器、SV-DH-7A型多功能信号发生器2020/5/26声速的测量5固定超声波发射头可移动超声波接收头底座标尺刻度鼓轮声速测量仪图HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量64、实验原理振动状态在弹性介质中传播形成波，波速完全由介质的物理性质决定。①声波的形成声波在空气中的传播，是由于空气的压强在平衡位置附近的瞬时起伏在空间激发疏密区，这些疏密区向前传播，从而形成声波。声波是纵波。HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量7②声波的大小声音在空气中的传播速度与自身频率无关，比如牛的叫声与蚊子的嗡嗡声，传播速度相同。4、实验原理声音在空气中的传播速度只取决于空气本身的性质，理论上00000TtTvvvTT式中是标准状态下干燥空气中的声速，为绝对温度，为测量时的室温。0331.5/vms0273.15TKtHuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量84、实验原理③本实验所用声速公式由波动力学原理，可知vf其中，相邻疏部（或者密部）之间距离，为波的频率。频率可以由测定信号振动频率获得，波长可以分别用驻波法和位相法测量。f超声波具有波长短、易于定向发射，而且可以有效避免其它各种声音的干扰，测量精度高的优点，因此本实验采用超声波。HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量94、实验原理④超声波与压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器声压电压接收信号电压声压超声波前者电转换为声逆压电效应，后者声转换为电正压电效应HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量10⑤波长测量方法4、实验原理一、共振干涉法（驻波法）测量声速两个压电陶瓷换能器发射头（电声转换）和接收头（声电转换），面对面平行放置，其端面间距为L。当时，两端面产生共振，形成驻波。此时波节处声压最大，转换后电压信号最强。示波器观察到信号振幅达到极大。/2Ln移动接收端，可在示波器上看到信号振幅由大到小呈周期变化。因此，测得两个相邻极大值接收端位置之差，即可得到声波波长。1/2,2nnLLLLHuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量11二、相位法测量声速原理4、实验原理⑤波长测量方法接收端与发射端之间形成声波场。声波场任意点（如接收端）的振动位相是随时间变化的，但该点与发射端之间的位相差不随时间变化，其位相差为2L由于两振动频率相同，可将接收端和发射端两信号分别输入示波器两个通道，进行X、Y轴方向振动合成，当图形为直线时，测出接收端位置，从而可求出声波的波长。LHuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量124、实验原理⑤波长测量方法三、距时差法测量声速原理连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质，声波在介质中传播，经过时间t后，到达L距离处的接收换能器（如图）。由运动定律可知LVt通过测量两个换能器发射接收平面之间的距离L和时间t，即可计算出当前介质的声速。HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量135、实验内容S1作为声波发射器，它把电信号转化为声波信号向空间发射。S2是信号接收器，它把接收到的声波信号转化为电信号供观察其中S1是固定的，而S2可以左右移动。实验准备HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量145、实验内容1、声速测试仪系统的连接与调试通电后预热15min.，信号源自动工作在连续波方式声速测试仪和信号源及双通道示波器之间的连接如图所示。图4-3-1实验装置接线图实验准备HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量155、实验内容2、测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点（1）超声换能器工作状态的调节在100mV～500mV之间调节声速测试仪信号源输出电压，在25～45kHz之间调节信号频率，通过示波器观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34~40kHz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f。实验准备HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量16（2）改变S1和S2之间的距离•选择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10次，将数据填入表1并求平均值。5、实验内容次数12345678910平均值频率实验准备HuainanNormalUniversity17(1)将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为。(2)将示波器调到合适工作方式,观察示波器，找到接收波形的最大值。转动声速仪距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化,记录幅度为最大时的距离Li；再向前或者向后沿一个方向移动接收器的位置，当接收波形幅度由大变小，再由小变大，且达到最大时，记录此时的距离Li＋1.波长。接收器的位置由主尺刻度、手轮的位置决定。手轮与丝杆相连上分为100分格，每转一周，接收器平移1mm，故手每一小格为0.01mm，可估到0.001mm。f12iiLL5、实验内容一、驻波法测声速HuainanNormalUniversity18（3）连续移动接收器的位置，观测示波器相继出现的极大值，依次在表2中记录游标尺的相应值，用逐差法处理数据。（4）根据，求出声速。vf5、实验内容测量次数12345678910频率f（Hz）S2位置L（mm）实验准备一、驻波法测声速HuainanNormalUniversity19测量方案及实施示意图5、实验内容一、驻波法测声速HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量205、实验内容二、相位比较法（李萨如图形）测量波长（1）将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为。（2）首先，置示波器于双踪显示功能，观察发射和接收信号波形，转动距离调节鼓轮，至接收信号幅度达最大值时的位置。调节示波器CH1、CH2衰减灵敏度旋钮、信号源发射强度、接收增益，令两波形幅度几乎相等，观察两波形曲线间的关系。（3）然后，置示波器于X－Y功能方式，这时观察到的李萨如图形为一斜线，否则可微调声速仪的鼓轮实施之，记录下此时的距离Li。φ=5π/4φ=2πφ=3π/2φ=7π/4φ=3π/4φ=πΦ=0φ=π/2φ=π/4HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量215、实验内容二、相位比较法（李萨如图形）测量波长（4）单向转动调节鼓轮，改变换能器之间的距离。当移动一个波长时，观察到波形又返回前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器S2的振动波形发生了2π相移，记录此时的距离Li＋1。即：波长。（5）多次测定，依次在表3中记录游标尺的相应值，并用逐差法处理数据。（6）根据，求出声速。1iiLLvf测量次数12345678910频率f（Hz）S2位置L（mm）HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量225、实验内容三、时差法测量声速（1）设置信号源测试方法为脉冲波方式，将声速仪S1和S2之间距离调至≥50mm。（2）调节示波器接收增益，使显示的接收波信号幅度在300～400mV左右（峰—峰值），再调定时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离Li和时间值ti（时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出或由示波器测出）。（3）移动S2，同时调节示波器接收增益使接收信号幅度始终保持一致。记录这时的距离值Li＋1和显示的时间值ti＋1。HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量23（4）多次测定，依次在表4中记录游标尺的相应值，用逐差法处理数据，计算声速。11()/()iiiiivLLttt接收换能器波形图4-3-2发射与接收波形图33311[()/()]3iiiiivLLtt5、实验内容三、时差法测量声速测量次数12345678910计时器t（ms）S2位置L（mm）HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量245、实验内容四、测量固体介质中的声速实验提供两种测试介质：有机玻璃棒和铝棒。每种材料有长50mm三根样品，只需将样品组成不同长度测量两次，利用时差法算出声速。固体介质测量次数12345678910有机玻璃棒计时器t（ms）S2位置L（mm）铝棒计时器t（ms）S2位置L（mm）HuainanNormalUniversity2020/5/26声速的测量256、课后思考①实验中信号发生器和示波器各起什么作用？②实验中为什么要在压电换能器谐振状态下测量空气的声速？⑤本实验采用逐差法处理数据有什么好处？③实验前为什么要调整测试系统的谐振频率？如何进行调整？④实验中为什么要记录室温？