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1、超声声速仪 测声速,1、 压电换能器的工作原理 2、共振干涉法和相位比较法测声速的原理 3、示波器的调整与使用 4、逐差法处理数据的方法 5、设计待测量的数据记录表格,一、预 习 提 要,1、了解超声压电换能器的结构和工作原理； 2、 熟悉示波器和低频信号发生器的使用； 3、用共振干涉法和相位比较法测量空气中的 声速。 4、学会用逐差法处理数据，并对结果的不确定度进行分析。,二、实验要求与目的,三、声波的基本知识,1、超声波； 声波是一种机械波。频率超过20KHz的声波称为超声波。声波的频率、波长、速度、相位等是声波的重要特性。 2、理想气体中的声速值,-绝热系数，R-摩尔气体常数，-空气分子
2、的摩尔质量，T-绝对温度,三、声波的基本知识,由此可见，气体中的声速 v 和温度 T 有关，还与比热比及摩尔质量有关，后两个因素与气体成分有关。 在标准状态下， 时，声速 大气中声速与温度，湿度及气压等密切相关，根据声学理论，声速的理论值应为,由此可见，在极地和赤道，在冬天和夏天，声音的传播速度是不同的。,声波在生活和科技中的应用,1、地震预报（利用地震波中纵波与横波波速的不同）； 2、医学应用：B超与彩超（利用人体不同结构中声速的不同）； 3、无损检测（利用两种不同介质表面对声波的反射）； 4、海洋应用（声呐）：鱼群探测，海底地貌，军舰与潜艇导航；,共振干涉法实验装置,四、实 验 装 置,相
3、位比较法实验装置 （相位比较法只需将信号发生器输出的信号加在示波器的X端）,四、实 验 装 置,开关,显示屏,第二通道,第一通道,一通道 增益调节,二通道 增益调节,时基扫描,聚焦,辉度,示 波 器,频率调节,频率范围选择,信号输出,波形选择,开关,信号发生器,声速测量仪,超声声速测定仪由两只相同的压电陶瓷换 能器组成，分别用于超声波的发射和接收。,五、实 验 原 理,（一）、超声声速测定仪的工作原理 1、超声波的发射原理（逆压电效应）； 首先在发射端加一个正弦信号，压电陶瓷会发生周期性伸长缩短，这个振动被传递给变幅杆，当传到端面上时，就在空气中激发出超声波。 2 、超声波的接收原理（正压电效
4、应） 接受端的压电陶瓷将接收到的超声波振动转化为电信号 3、压电陶瓷换能器的谐振频率f0,五、实 验 原 理,（二）、声速的测量原理,注：公式中的频率是谐振频率，在40KHz附近微调信号发生器的频率，同时观察接收端的电信号，当振幅达到最大，此时的频率就是谐振频率。,五、实 验 原 理,（二）、声速的测量原理,1.相位比较法 设：声波频率为f,空间任一接收点和发射点的相位差为,同相点：,反相点：,相邻同相点和反相点：,五、实 验 原 理,（二）、声速的测量原理,结论：若记下一系列相邻李萨茹图形为直线时接收器所处位置，则每两个相邻点之间的距离就是,位移波,S2,S1,声压波,1、 共振干涉法（驻波
5、法）,结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为,1、 共振干涉法（驻波法）,s1和s2为压电陶瓷超声换能器，s1作为超声源（发射头），信号源发出的正弦电压信号接到换能器s1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。这样，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。改变s1、s2之间的距离，在一系列特定的位置上，接收面s2上的声压达到极大值，移动接收器，会发现接收信号振幅从大到小出现周期性变化，测出接收信号极大时，接收器的位置L1,L2L3,-每两相邻点之间距离就是,按实验装置图
6、接线，使发射头和接收头的端面尽量平行； 寻找共振频率，在40kHz附近调整函数发生器的输出频率，使接收头输出的电信号幅度最大； 相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现10个直线时所对应的接收头的坐标。,六、实 验 内 容,七、数据记录与处理,单位：mm,六、数据记录及处理,八、注意事项,1. 为保证性能稳定，应预热10分钟后再使用。 2. 调节仪器旋钮要轻缓，以免损坏。 3. 信号发射器的信号输出幅度不要过大，避免仪器过热而损坏。 4.螺旋来回转动会产生螺距间隙偏差，测量时应朝一个方向转动超声测量仪测微螺旋。,八、注意事项,5. 实验中S2的测量必须是连续进行的,决不可进行跳跃式测量。 6
7、. 信号源电源开关打开后，S1与S2发射面和接收面要保持相互平行并S1与S2间距必须大于3cm，否则会损坏压电换能器 。,八、注意事项,7、实验时要使函数信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率，并且在实验过程中保持不变。 8、由于声波在空气中衰减较大，随着接收换能器与发射换能器之间距离的增大，接收到的信号幅度会很快变小。实验中必要时应调节示波器输入通道的灵敏度调节旋钮。,九、思 考 题,1. 形成驻波的条件是什么？两压电换能器的端面为什么要平行？ 2. 声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？ 3. 为什么要在谐振频率条件下进行测量？如何调节和判断测量系统是否处于谐振状态？ 4. 相位比较法测量声速时，选择什么样的李萨如图形进行测量？为什么？,谢 谢,
