超声波声速的测量

声速的测量1.了解声波研究的应用，理解压电陶瓷换能器的工作原理；2.学习使用示波器进行信号接受和位相比较；3.掌握使用共振干涉法和位相比较法测量声波波速；4.熟练使用不确定度进行数据处理。实验目的压电陶瓷换能器工作原理实验所使用的压电陶瓷换能器，一个是用来产生机械振动并在空气中激发出超声波；另一个用来接收振动，同时在电输出端产生相应的电信号。压电系统有一谐振频率，系统工作在谐振频率时，产生机械谐振，此时得到的电信号最强。后盖反射板压电陶瓷片辐射头正负电极片实验原理——正压电效应：当压电材料受到与极化方向一致的应力T的作用而变形时，其内部就产生极化现象，在它的两个表面上就带有符号相反的电荷，在极化方向上产生一定的电场强度E，且具有线性关系：E=σT；当力方向改变时，电荷的极性也随着改变；当外力去掉后，它又重新恢复不带电时的状态。压电式传感器工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。逆压电效应：当在压电材料的极化方向施加与极化方向一致的外加电压U，这些材料会产生伸缩形变S，且与U有线性关系：S=dU；若施加交变电场，则介质因形变而振动。声速测量的方法超声波具有波长短、能定向传播等特点,所以实验选择在超声波段进行声速测量。测量声速最简单、最有效的方法之一是利用声速v、振动频率f和波长λ之间的基本关系，即fv测量波长λ有两种方法：１）．位相比较法２）．共振干涉法本实验在换能器谐振状态下进行声速的测量，振动频率f即为所用换能器的谐振频率实验原理——1、压电陶瓷换能器谐振频率的调节根据示波器显示的波形幅度确定换能器（发射端）激励信号频率。改变信号发生器的频率时，看到…参数测量：kHzf_____________0Ct0______________谐振频率：室温：实验内容Hz5仪C5.0仪2、声速测量——位相比较法波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同,即同相(位相差为0或者说其位相差为2π的整数倍)，两点间的距离l应等于波长λ的整数倍，即(n为正整数)利用这个公式可测量波长。nl注：声波是纵波，图以横波示例，为清楚说明物理量的关系。位相比较法测声速装置示意图位相比较法接线图示波器CH1和CH2分别接换能器发射端和接收端，示波器的“扫描信号周期”选择“X-Y”档，当改变换能器之间的距离时……位相比较法信号输出24434547223012两个同斜率直线所对应的换能器间距为一个波长λ。位相比较法数据处理（1）记录半波长数据李萨如图形接收头位置Ｌ１Ｌ２Ｌ３Ｌ４Ｌ４Ｌ５Ｌ６Ｌ７Ｌ９Ｌ９Ｌ10Ｌ11Ｌ12卡尺读数（cm）nnLL63接收头位置接收头位置(cm)（cm）（cm）（cm）（２）使用逐差法处理波长数据iimm仪（3）使用不确定度概念处理数据使用不确定度概念进行“直接测量量”数据处理的提示：测量量N的A类分量：)1()(2nnNNiA测量量N的B类分量：取其仪器误差限，考虑为均匀分布3仪B22BAN测量量N的合成不确定度：fV使用不确定度概念进行“间接测量量”数据处理的提示：测量量Ｖ的计算：测量量Ｖ的不确定度传递：22)()(fVfV（4）计算理论值%100理论值理论值实验值VVVEr0000TtTVV，并与实验值相比较3、声速测量——共振干涉法共振干涉法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射,并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处于波腹，此时产生的电信号最强。返2nl2/2/l共振干涉法接线图共振干涉法测声速装置示意图将压电陶瓷换能器的接收端接入示波器的CH1／CH2通道，当改变换能器之间的距离时……共振干涉法信号输出共振干涉法数据处理参照位相比较法自拟谢谢物理教学实验中心