超声波胜声速测量

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1、 11-1超声波特性及主要参数的测量 超声波是一种机械波，指频率高于20KHz，在弹性介质中传播的一种机械振荡。郎之万第一次采用居里兄弟发现的压电晶体作为超声波发射和接收的核心部件，奠定了超声波传播和研究的基础。超声波具有能量高，方向性好等优点，因此在超声波段对部分声学量进行测量比较方便。在本实验中，我们主要了解超声波的物理特性及其产生机制；学会用位相法测超声波声速并会用逐差法处理数据；测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数；并运用超声波检测声场分布。 一、实验原理 1、超声波的有关物理知识 介质中的质点，是以弹性联系。某质点在介质内振动，能够激发附近质点的振动。这种机械振动在介质中的

2、传播过程称为弹性波。声波是一种在气体、液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次生波(f20kHz)和特超声波(f10MHz)，如图11-1-1。 图11-1-1 声波频谱分布图 振荡源在介质中可产生如下形式的振荡波： 横波，质点振动方向和传播方向垂直的波。它只能在固体中传播。 纵波，质点振动方向和传播方向一致的波。它能在固体、液体、气体中传播。 表面波，当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波。介质表面的质点作椭圆形式的振动。因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加而衰减很快。 板波，在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波。可分为SH波与兰姆波。 超声波由于其波长短，频率高，

3、故它有其独特的特点： 绕射现象小，方向性好，能定向传播。 能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小。在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远。而且在液体里的衰减和吸收是比较低的。 能在异质界面产生反射、折射和波形转换。 2、超声波的传播速度 横波、纵波、表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度。兰姆波的传播速度，不仅取决于介质的弹性常数，还取决于介质的厚度及频率。 次声波声波超声波特超声波音乐语音101 102 103 104 105 106 107 108 109页码，1/7（一）超声波声速的测量2007-11-27http:/202.207.213.2/physic/jiaoc

4、ai/jindai/content/11/11-1.htm由于气体与液体中剪切模量为零，因而在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。 超声波的传播速度就是声波的传播速度，气体中声速的公式为： 11-1-1为空气定压比热容和定容比热容之比（），R是普适气体常量，M为摩尔质量，T是热力学温度。 液体中声速的公式为： 11-1-2：体积弹性模量，：密度 如果忽略空气中的水蒸气和其他杂物的影响，气体中在0（T0=273.15K）时的声速为： =331.45m/s 11-1-3液体中声速在900-1900m/s之间。水中声速约为1500m/s，随着温度升高而升高（76-85时最大），其他液体中的声速随着温

5、度的升高而降低。 由波动理论可知： 11-1-4f为波的频率，为波长 所以只要知道频率和波长即可求出波速。实验中采用低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输出频率就是声波的频率，声波的波长可用驻波法和行波法测量。 3、超声场及声波的一些特征量 充满超声波的空间或超声振动所涉及的介质叫做超声场。描述声场的物理量有： 声压：超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差为该点的声压，用P表示。 P=P1-P0 （ 单位为帕斯卡） 11-1-5声阻抗：介质中某一点的声压P与该点处振动速度V之比称为声阻抗Z。 Z=P/V 11-1-6声强：单位时间内垂直通过单位面积

6、的声能。用I表示。单位为w/m2。 11-1-7分贝：规定I0=10-16W/cm2为声强标准。某一声强I与 I0标准声强之比，取常用对数得到二者差的数量级，称为声强级LI（分贝）。 LI= 11-1-8 由声强与声压的关系，得到 LI= 11-1-9在示波器屏幕上波高与声压成正比，故利用该式可以计算出超声波中任意两波高的分贝差。 MRTV=CvCp=VMRTV00=fV =ZPI221=010IILg0120ppLg页码，2/7（一）超声波声速的测量2007-11-27http:/202.207.213.2/physic/jiaocai/jindai/content/11/11-1.htm4

7、、超声波在介质界面上的反射、折射与透射 每当声波传播到两种媒质的分界面时，就会产生反射、透射现象。反射、透射波的振幅取决于入射波、入射角、反射表面和媒质的阻抗特性。声能流正比于它们振幅的平方。 考虑一束超声波波束在空气中传播，波束遇到障碍物反射面形成反射波与透射波，如图11-1-2所示。 图11-1-2 超声波在介质界面上的反射、折射与透射框图 界面上反射波的振幅与入射波的振幅之比叫做声强反射系数，记为R 。 11-1-10界面折射波的振幅与入射波的振幅之比叫做声强透射系数，记为T 。 11-1-11介质透射波的振幅与入射波的振幅之比叫做声强吸收系数，记为T吸。 11-1-125、超声波的波形

8、转化现象 当超声波倾斜入射到异质界面时，除了产生与入射波同类型的反射波与折射波以外，还会产生与入射波不同类型的反射波与折射波，此现象称为波形转换。波形转换只发生在斜入射的界面，而且与界面两侧介质的状态有关。 6、超声场的分布 本实验中以圆盘声源为例，讨论一下波源轴线上的声压分布。如图11-1-3在空气介质中有一超声波声源发生器，发射头可近似看为一圆盘，辐射出单一频率的正弦波。 入射反射AAR =入射折射AAT =入射透射 吸AAT=介质Z2发射接收头 折射波反射波入射波介质Z1超声波接收 头介质Z1透射波B超声波接XPrZdS页码，3/7（一）超声波声速的测量2007-11-27http:/2

9、02.207.213.2/physic/jiaocai/jindai/content/11/11-1.htm图11-1-3 圆盘声源声场示意图 根据波的叠加原理，波源轴线上任一点的声压等于波源各点发射的球面波在该点引起的声压叠加： 11-1-13P0为声源的起始声压；R为声源的半经；为波长；x为声源轴线上某点至声源的距离 考虑介质衰减： ：衰减系数 11-1-14当时 11-1-15当时，进一步简化为： 11-1-16其中F为声源面积，。圆盘轴线上的声压分布规律如图11-1-4。 图11-1-4 超声场分布图 由以上公式以及图示可以看出，在声源附近的轴线上声压上下起伏变化。我们把声源附近的轴线

10、上产生一系列极大极小的区域称为超声场的近场区，也叫菲涅尔区。声源上最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N。 N= 11-1-17xN的区域叫作远场区，也叫夫琅和费区。在此区中，轴线上的声压随距离的增加而单调的减少。 二、实验装置 )(222 0xxRSINPP+=xexxRSINPP +=)(222 0Dx xDSINPP8220432Dx xFpP042DF=FRDD=222 2 44XYxR页码，4/7（一）超声波声速的测量2007-11-27http:/202.207.213.2/physic/jiaocai/jindai/content/11/11-1.htm实验装置主要有超声波

11、物理特性综合测试仪、示波器、计算机、打印机等。 超声波物理特性综合测试仪主要由可调信号发生器，超声波发射与接收探头、带卡尺、各种坐具的实验平台，信号放大器等组成。 超声探头实际上就是一个压电陶瓷换能器，他可以把电能转化为声能，也可以把声能转化为电能。压电晶片是该探头的核心元件，如图11-1-5。 由于在该仪器上巧妙的设计了一个带坐具，标尺的实验平台。超声探头可以在平台上自由活动，故可以把仪器调节到不同的工作方式来测量超声波的声速、反射系数、透射系数、吸收系数、声场分布等物理特性。使学生能直观的去理解超声波的特性。 图11-1-5 超声波探头 图11-1-6 超声波物理特性综合测试仪 三、实验内

12、容三、实验内容 1、 超声波声速的测量分别把超声波发射信号和超声波接收信号同时输入示波器，根据示波器显示的李萨如图，即可得出超声波在介质中传播的速度： V=ff为频率。 11-1-18将超声波发射头定位在平台上，在平台上沿传播方向慢慢移动超声波接收头，由示波器信号找出相位 两次重合时接收头所处的位置，记下此处接收头所处位置xi。通过式 =x末-x初 11-1-19 算出。f由信号发生器读出，应用11-1-18式计算V值。 2、测量超声波在介质中的吸收系数 金 属 引锆钛酸铅片塑 料 外保护膜页码，5/7（一）超声波声速的测量2007-11-27http:/202.207.213.2/physi

13、c/jiaocai/jindai/content/11/11-1.htm因为超声波发生器与接收器是由同一种材料制成的，所以 11-1-20 U0是信号发生器输出电压数值 。U是示波器显示电压数值。 11-1-213、反射系数的测定 11-1-22U0是信号发生器输出电压数值, U 是超声波接收器信号在示波器显示的峰值有效值。 4、测量频率与电压的关系 （1）、 调整电路，把超声波传感器的接收探头固定在平台上，调整探头位置，使其与发射探头处于同一水平位置； （2）、 把发射探头和接收探头接在示波器上； （3）、 固定两者的距离和角度； （4）、 改变频率，记录频率与电压值； （5）、 改变接收探

14、头位置重复上述步骤； （6）、 绘制出超声波的f-U图。 5、测超声波声场分布 固定发射源在超声波物理特性综合测试仪平台上，接收头定位在声源轴线上，角度不变，改变接收头与发射头的距离，通过示波器记录振幅随距离的改变量， 绘制出位移振幅关系图（X-A图），与图11-1-4进行比较 计算出近场长度N。 注意事项： 1 、不要使超声波发生器的频率太低，大于20KHz； 2 、要使超声波发生器发射端与接收端上下对齐，处在同一平面上； 3 、注意保护超声波传感器以免损伤。 四、思考题 1、 固定两换能器的距离改变频率，以求声速，是否可行？ 2、超声波的衍射现象？ 3、测出的超声波速度与真实值有差别，为什

15、么？ 4、讨论超声波频率、声源面积与近场分部有何关系？ 参考文献： 1王化祥、张淑英，传感器原理与应用，天津大学出版社，1996 2常铁军、祁欣，材料近代分析测试方法，哈尔滨工业大学出版社，1999 00UUAA=0UUAAT= 入射透射 吸0UUR=页码，6/7（一）超声波声速的测量2007-11-27http:/202.207.213.2/physic/jiaocai/jindai/content/11/11-1.htm3谢行恕等，大学物理实验，高等教育出版社，1999 页码，7/7（一）超声波声速的测量2007-11-27http:/202.207.213.2/physic/jiaocai/jindai/content/11/11-1.htm