Transcript 声速的测量

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。
测量声速的意义
► 超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等
因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解
媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气、蔗糖等
气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油
管中不同油晶的分界面等等，这些问题都可以通过
测定这些物质中的声速来解决。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。
[ 实验目的]
1．本实验是“阴极射线示波器”实验的继
续和深入。使用的熟悉程度。通过本实验将
检验学生对示波器
► 2．了解压电换能器的功能，加深对驻波及振
动合成等理论知识的理解。
► 3．学习用共振干涉法和相位比较法测定超声
波在空气中的传播速度。
► 4. 掌握用逐差法处理数据的方法。
►
【实验仪器介绍】
►
SVX-5声速测试仪信号源
“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）；
设置在“脉冲波”方式时，显示窗显示
时间（μs）。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。
►
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
电陶瓷片发生机械形变，从而产生电场，把声
信号转变成了电信号。
1.基本原理
► 声速
v f 
►
► 若固定频率为f=f0（共振频率），通过波长λ测量，
即可求得声速 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。当 电信号的频率与换能器的固有
振动频率相等时，其输出能量最大。
2．共振干涉法
游标尺
示波器
低频信号发生器
图中S1和S2，为压电陶瓷超声换能器，S1作为超声源(发射)，
低频信号发生器发出的正弦电压信号接到换能器后，即能发
出一平面声波。S2作为超声波的接收头，接收的声压转换成
电信号后输入示波器观察，S2在接收超声波的同时还反射一
部分超声波。
►由S1发出的超声波和由S2反射的超声波
在S1，S2之间的区域干涉而形成驻波。
可以证明，相邻两极大值之间的距离为
半波长λ/2整数倍时，接收面S2上的声压
达到极大值。具此我们就能得到超声波
的波长。再由XD—X型低频信号发生器
读出超声源的频率 f 就可计算出声速。
实验测量
►移动S2，观察示波器显示的正弦波振幅
变化，用游标尺读出振幅极大值S2所在位
置li。不断移动S2，连续读出20个相邻的振
幅极大位置。
3.相位比较法
游标尺
示波器
低频信号发生器
从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为
φ=ωt =2πf/v=2π l /λ
S1与S2之间变化一个波长λ，φ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。
李萨如图随相位的变化
图
形
相位差
【数据处理及作业】
1．列表记录实验数据。
2．计算空气中声速的最佳估计值，合成不确定
度u、相对不确定度和百分偏差。
（1）逐差法处理数据。
（2）计算声速的不确定度u和相对不确定度。
（3）正确表示测量结果（要求值信概率P=0.683）。
（4）计算空气中声速的百分偏差。