声速测量

声速测定►声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，它是纵波，其振动方向与传播方向相一致。►频率低于20Hz的声波称为次声波；►频率在20Hz-20kHz的声波可以被人听到，称为可闻声波；►频率在20kHz以上的声波称为超声波。声速是描述声波在媒质中传播特性的基本量，与媒质的特性及状态等因素有关。通过媒质中声速的测量，可以了解被测媒质的特性或状态变化。因而，声速测量有非常广泛的应用，如无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等。测量声速的意义声速的测量方法可分为两大类：第一类方法是根据关系式V=S/t，测出传播距离S和所需的时间t后即可算出声速；第二类方法是利用关系式，从测量频率f和波长来算出声速v。本实验采用第二类方法。由于超声波具有波长短、能定向传播等特点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。本实验就是测量超声波在空气中的传播速度。[实验目的]►了解超声波产生和接收原理，学习测量空气中声速的方法►用共振干涉法和相位比较法测量空气中的超声声速►学习用逐差法进行数据处理[基本原理]►声速►若固定频率为f=f0（谐振频率），通过波长测量，即可求的声速v。►本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声波和交流电压间的转换。1．空气中的声速压电效应2．压电陶瓷超声换能器的工作原理►在声速测量中，采用压电陶瓷超声换能器作为声波的发射器和接收器。►声速测量仪中换能器S1作为声波的发射器是利用了压电材料的逆压电效应。压电陶瓷环片在交流电压作用下，发生纵向机械振动，在空气中激发超声波。换能器S2作为声波的接收器是利用了压电材料的压电效应。空气的振动使压电陶瓷环片发生机械形变，从而产生电场，把声信号转变成了电信号。3．声速的测定(1)共振干涉法►图中S1和S2为压电晶体换能器，S1作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出一近似的平面声波；S2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射．当S1和S2的表面互相平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大.►当输出的正弦交流电信号频率与压电陶瓷超声换能器的固有频率相同时，发射换能器S1处于谐振状态，此时，发射的超声波能量最大；当外力的频率等于谐振频率时，压电换能器S2产生谐振，此时得到的电信号最强。►定义声压P为有声波传播时媒质中的压强与无声波传播时媒质中静压强之差。波腹处声压为零，波节处声压最大。声压和位移的相位差为。►因为接收器S2的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成驻波时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值。接受器表面声压随距离的变化►图中各极大值之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减小．我们只要测出各极大值对应的接收器S2的位置，就可测出波长．由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式求得声速．►从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为（2）相位比较法李萨如图随相位差的变化►S1与S2之间变化一个波长，相位差变化，示波器上所观察到的李萨如图随之变化一个周期。声速测量仪[实验仪器]信号发生器►“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；►“接受增益”用于调节内部的接受增益。►“测试方法”设置在“连续波”方式时，面板左上方显示窗显示频率（kHz）。►当测量系统处于共振状态时，面板左下角“信号指示灯”应亮，并且在测量过程中应一直保持亮。[实验内容]1．共振干涉法测空气中声速（1）测定压电陶瓷超声换能器系统的最佳工作点。声速测试仪信号源面板上“测试方法”设置为“连续波”，“传播介质”设置为“空气”，“发射强度”和“接收增益”旋钮顺时针旋在较大位置。缓慢调节“信号频率”旋钮使接收端S2电信号的幅值达到最大，此时系统处于谐振状态，显示谐振发生的信号指示灯亮，信号源面板上频率显示窗口显示谐振频率（kHz）。此状态为压电陶瓷换能器系统的最佳工作点。（2）移动S2，使接收端S2电信号的幅值达到最大，此时S2为共振驻波状态的波节位置，声压最大。由数显表头读数记录S2所在位置x1。（3）依次移动S2，观察示波器，每当示值达到最大时，记录S2所在位置x2、x3、…x16（相邻位置之间的距离为）。（4）记录实验室干、湿温度t℃、t‘℃以及大气压强p。2．相位比较法测空气中声速[注意事项]►1．测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，以避免空程误差。►2．两超声换能器不得接触。[数据处理]►用逐差法计算Li，并求其平均值及不确定度；►计算波长的平均值及不确定度；►计算波速的平均值及不确定度；►计算声速的理论值；声波的传播速度公式►将实验值与理论值进行比较，计算出百分误差。