声速的测定_4.docx

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1、论综合实验声速的测量研究物电系物本1002班姓名(组长)段志伟(201009110090)(组员)李博(201009110099)(组员)李建乐(201009110108)指导老师孟彩荣摘要:本文对声速测量的不同方法一共振干涉法、相位比较法以及时差法中的相关问题进行了探讨.使学生对实验装置、实验原理、实验内容有了更清楚的认识。对采用各种不同的方法测量空气、水以及固体中的声速进行了大量实验,并对实验进行了详细的处理和误差分析。通过比较各种方法的精确度,找出他们的优缺点,为声速的测定提供了多种实验方法,便于此类实验的开展和完善。关键词:共振干涉法；相位比较法；时差法；声速引言：随着声速的迅速发展，

2、检测声学的实际应用中也越来越广泛，在无损检测中、探伤、流体测速、定位、测距等声学检测领域中声速的测量尤为重要。因此声速测量在物理实验中有着重要的地位,也有着广泛的应用。而空气中声速的测量作为经典的近代物理实验以其实际应用性和易于实现的特点，被许多高校作为基础物理实验。实验中一般利用压电陶瓷超声换能器组，示波器，低频信号发生器等，采用共振干涉法和相位比较法。但是在很多舰船上是用声纳来测量距离和方位，很多江湖水位自动记录仪也是用超声波来测量水位的变化，即利用测量脉冲发出和回波的时间差推算距离，测量原理两者相差较大。因此,在原来教学仪器的基础上进行了改正，增加了时差法测量声速，完善了教学与实际之间的

3、衔接。本实验用多种方法进行声速的测定，并对这些方法的结果进行比较，总结它们的优缺点，便于根据实际情况进行此类实验的选择，可为声速测量提供有益的借鉴。【实验目的】1、了解超声换能器的工作原理和功能2、学习不同方法测定声速原理和技术3、熟悉测量仪和示波器的调节使用4、测定声波在空气、自来水和固体中的传播速度【实验器材】1、ZKYSS型声速测定仪2、双踪示波器ZKY-SS型声速测定仪双踪示波器【实验原理】声波是一种在弹性介质中传播的机械波。声波在媒介中传播时，与声、声衰减媒介的特性与状态等有关，通过测量这些声学量可以探知媒介的特性及状态变化。声速的测量方法可以分为两类：第一类方法是直接根据关系式V=

4、st,测出传播距离S和所需时间T后即可算出声速,称为时差法，这是工程应用中常用的方法。第二类方法是利用波长频率关系式U=,测出频率与波长来计算出声速。测量波长时又可以用共振干涉法或相位比较法，本实验用三种方法测量气体的声速以及两种方法测水中的声速和一种方法测在固体中的声速。共振干涉法（驻波法）测量声速的原理：当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。对于波束1：71=Acos(t-2X)波束2：72=cos(yr+2X/),当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：b3=2Acos3X）cos创，这里为声波的角频率，t为经过的时间，X为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随

5、距离按COSQ4X4）变化。如图（1）所示。压电陶瓷换能器SI作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器邑则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。声源S1发出的声波，经介质传播到S?,在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。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与S2之间的距离），你从示波器显示上

6、会发现当在S?某些位置时振幅有最小值或最大值。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2o为测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓发射换能器与接收换能器之间的距离图（1）共振干涉法原理图慢的改变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&移动过的距离亦为九/2。超声换能器2至S1之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声波测试仪信号源频率显示窗口直接读出。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

7、计算出声速，用逐差法处理测量的数据。相位法测量原理声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但它和声源的振动相位差不随时间变化。设声源方程为：Fi=Focos6y距声源X处$2接收到的振动为：F2=Fo2costy(f-y)afX=-两处振动的相位差：Y当把S1和S2的信号分别输入到示波器X轴和Y轴，那么当X=九即=2n,合振动为一斜率为正的直线，当X=(2n+1)2,即=(2n+1)时，合振动为一斜率为负的直线，当X为其它值时，合成振动为椭圆(如图2)。图2,接收信号与发射信号形成李萨如图时差法测量原理以上二种方法测声速，是用示波器观察波谷和波峰，或

8、观察二个波的相位差,原理是正确的，但存在读数误差。较精确测量声速的方法是采用声波时差法，时差法在工程中得到了广泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过时间t后，到达距离为1处的接收换能器，那么可【实验内容及步骤】声速测定仪系统地连接与工作频率调节连接装配（如下图）(1)换能器与声速测定仪信号源之间的连接：信号源面板上的发射驱动端用于输出一定功率的信号，连接测试架左边的发射换能器，仪器面板上的接换能器信号输入端口，连接到测试架右边的接受换能器。(2)示波器与声速测定信号源之间的连接：信号源面板上的超声发射监测信号好输出端口输出发射波形。请接至双踪示波器的CH1(

9、Y通道)，用于观察发射波形，仪器面板上的超声波接收监测信号输出端口接收波形，请接至双踪示波器的CH2(X通道)，用于观察波形。(3)在接通开关后，显示界面后，自动进入按键说明界面。按确认键后进入工作选择模式，可选择驱动信号为连续正弦波或脉冲波。在工作模式选择界面中选择驱动信号为连续波工作模式，在连续工作模式中使信号源工作预热15分钟。(4)调节驱动信号频率到压电陶瓷换能器系统的最佳工作点：只有当发射换能器的界面与接收器的接收面保持平行才能有良好的工作效果。为了得到清晰地接收波形，还必须将外加的驱动信号频率调节到发射换能器的写真频率点时，才能较好的进行生能与电能的转换，已得到更好的实验结果。(5

10、)时基选择在5-20usdiv调节方法：调节声速测定仪信号源输出电压(10-15Vpp),调整信号频率在(30-45KHZ)观察频率调整时接收波形的电压的幅度变化，选取在大幅值的频率，并稳定信号。2.2.共振干涉法测空气中声速(1)连接，调节，如上述。并保证在实验过程中不改变调谐频率。(2)将示波器设定在扫描工作状态，扫描速度约为IOUS/格，信号输入通道调节旋钮约为Iv/格，并将发射输出监测信号输入端设为触发信号端。(3)信号源选择连续波模式，设定发射，接收增益均为2档。(4)摇动摇柄，在发射器与接收器距离5cm附近，找到共振位置，作为第一个测量点。这时按数字游标尺的归零键，使该点作为起始点

11、，继续摇动摇柄,使接收器远离发射器，每到共振位置均记录数据，共计十组数据。23相位比较法测量空气中的声速(1)连接，调节，如上述。并保证在实验过程中不改变调谐频率。(2)将示波器设定在扫描工作状态，扫描速度约为IOUS/格，信号输入通道调节旋钮约为Iv/格，并将发射输出监测信号输入端设为触发信号端。(3)信号源选择连续波模式，设定发射，接收增益均为2档。(4)将示波器设定在X-Y工作状态，在发射器与接收器距离为4cm附近，找到相位差为零的点,作为第一个测量点，按数字有标尺使之归零；摇动摇柄使接收器远离发射器，每到相位差为零时记录位置数据，共计录十组数据。2.4. 时差法测量空气中的声速(1)连

12、接，调节，如上述。并保证在实验过程中不改变调谐频率。(2)将示波器设定在扫描工作状态，扫描速度约为IoUS/格，信号输入通道调节旋钮约为Iv/格，并将发射输出监测信号输入端设为触发信号端。(3)信号源选择脉冲波，发射与接收增益均为3档。(4)摇动摇柄，在发射器与接收器距离4cm附近,作为第一测量点，游标尺归零，每隔20Cm记录一次时差，记录十组数据。2.5. 用相位比较法测量水中的声速(1)将实验装置整体放入水槽中，水槽的水高于换能器顶部1-2cm,按第一条的要求完成系统连接与调谐，并保持在实验过程中不改变调谐频率。(2)信号源选择连续正弦波，设定发射接收增益为零档将示波器设定X-Y工作状态(

13、3)在发射器与接收器3cm附近找到相位差为零的点，作为第一测量点，并使游标尺归零,摇动摇柄使接收器远离发射器,每到相位差为零时记录位置数据，共计录十组数据。2.6. 用时差法测量水中的声速信号源选择脉冲波，增益均为2档，摇动摇柄，在发射器与接收器距离4cm附近，作为第一测量点，游标尺归零，每隔20Cm记录一次时差，记录十组数据。27时差法测量在固体中的声速由于固体样品的长度不能连续变化，因此只能采用时差法进行测量。(1)连接，调节，如上述。并保证在实验过程中不改变调谐频率。(2)将示波器设定在扫描工作状态，扫描速度约为IOUS/格，信号输入通道调节旋钮约为Iv/格，并将发射输出监测信号输入端设

14、为触发信号端。(3)信号源选择脉冲波，发射与接收增益均为3档。(4)分别把长度不同的固体卡在发射器与接收器之间，记录时间，分别各记录三次【数据处理】共振干涉法(驻波法)测量空气中的声速f=36.989kHzT=18oC测量次数i12345平均波长A位置(mm)04.639.5213.8318.95测量次数i678910位置(mm)23.2527,8932.6737.3042.10波长(mm)9.3009.3049.2609.3889.2609.3024数据处理计算公式：V理论=34193msV实验=f4平均%=2亿+广乙)/5办，均=(%+几+4+%+%)5误差E=V实验-V博论)V理论实验数

15、据：V,11,1t4=(9.3024*36.989)ms=344.086ms误差E=(344.086-341.93)/341.93=0.63%相位比较法测量空气中的声速f=36.985kHzT=18oC测量次数i12345平均波长A位置(nun)O9.4618.8928.1837.75测量次数i678910位置(mm)47.3456.8166.1475.6285.29波长(mm)9.4689.479.459.4889.5089.4768数据处理计算公式：V理论=34193msV实验=丸平均九=%-W丸平均=(%+办+几+%+%)/5误差E=(V实验理论)V理论实验数据：y.i=(36.985*9.4768)ms=350.49ms误差e=(350.49-341.93)/341.93=2.503%相位比较法测量自来水中的声速f=36.985KHzT=I8