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1、 超声波声速的超声波声速的测测量（量（301） ）一、实验目的一、实验目的1. 了解压电陶瓷换能器的工作原理 2. 培养综合运用仪器的能力 3. 学习用共振干涉法和相位比较法测量超声波的波速 4. 加深对驻波及振动合成等理论知识的理解二、实验仪器二、实验仪器示波器、信号发生器、超声波声速测定仪、导线三、实验原理三、实验原理声波是一种在弹性介质中传播的机械纵波.频率在 2020 000Hz 的声波为可听声波.低 于 20Hz 的声波为次声波，高于 20 000Hz 的声波为超声波，这两类声波不能被人耳听 到，但与可听声波性质相同.本实验采用压电陶瓷超声波换能器，来产生和接收超声波.如图 24-1
2、 所示，压电 陶瓷超声波换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属， 组成夹心结构.头部用铝做成喇叭形，尾部用铜做 成锥形，中部为压电陶瓷环，螺钉穿过环的中心. 压电陶瓷片由多晶结构的压电材料（如钛酸钡、锆 钛酸铅）制成，在一定的温度下经极化处理后，具 有压电效应.即压电材料受到与极化方向一致的应 力时，在极化方向产生一定的电场强度，且有TE线性关系；反之，当与极化方向一致的外kTE 加电压加在压电材料上时，材料的伸缩形变与Us 电压也有线性关系，比例系数、与UUkskk材料性质有关.由于与、与之间有简单的ETsU 线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号，转 变成压电材料的纵向长度伸缩，从而成为超声
3、波的波源；同样也可以把超声波的声压 变化，转变为电压的变化，用来接收超声波信号.声波的传播速度与声波频率和波长的关系为vf（24-1）fv 1234图 24-11. 铝头 2. 压电陶瓷圆环3. 黄铜尾部 4. 螺钉实验中，声波频率可由信号发生器直接读出，我们只要测出声波波长，就可求出f声速.测量的常用方法有共振干涉法和相位比较法.v （一）驻波法（共振干涉法）（一）驻波法（共振干涉法）实验装置如图 24-2 所示，和是两只相同的压电陶瓷超声换能器，用作发1S2S1S射器，为接收器.低频信号发生器输出的正弦电压信号，接入换能器，将此信2S1S1S号转变为超声波信号，发射出平面超声波.换能器接收
4、到超声波信号后，将它转变2S为正弦电压信号， 接入示波器进行 观察.换能器在2S接收超声波的同 时，还反射一部 分超声波.这样，由发射的超声1S波和由反射的2S超声波，在和1S端面之间干涉，2S产生驻波共振现象.（二）相位比较法（二）相位比较法实验装置如图（24-2）所示，发出的超声信号经空气传播到达接收器，1S2S接收的信号与发射的信号之间存在相位差2S1S（24-4）x2S2S1Y2Y1Y2S2Y1S1HZDH 信号源示波器x图 24-2本实验中，把发出的信号直接引入示波器的水平输入，并将接收的信号引入1S2S示波器垂直输入.这样，对于确定的间距，示波器上将有两个同频率、振动方向相互x垂直
5、、相位差恒定的两个振动进行合成，从而形成李萨如图形.连续移动，增大2S与的间距，可使相位差变化，并依次满足：2S1SxLL,2 ,23,2, 0相应地，示波器将依次显示如图 24-3：图 24-3因此，当相位差从变化到时，李萨如图形从“/”变化到“” ，0相应的间距的改变量为；同理，当相位差从变化到时，x2x2李萨如图形从“”变化到“/” ，相应的间距的改变量也是，由此测得波长.x2x四、实验内容四、实验内容（一）仪器调整（一）仪器调整 1.按图 24-2 连接声速测试仪、声速测试仪信号源和双踪示波器.注意：发射端波形接口连接示波器 EXT 接口；接收端波形接口连接示波器 CH2 通道.1Y2
6、Y2.接通电源后，仪器自动工作在连续波方式，预热 5 分钟.仪器正常工作后，首先 调节声速测试仪信号源的连续波强度和接收增益两旋钮（输出电压在 1015V） ，并且 调整频率调节旋钮（频率在 2545KHz）. 3.打开示波器，预热 2 分钟.调整示波器，在水平方向接入扫描信号，在垂直方向 接入接收端波形，并使图形稳定 4.调节信号频率，观察频率调节时接收电压的幅度变化.在某一频率时电压幅度最02223大，该频率值就是测试系统的共振频率.改变和间距，重复调整，多次测定共振1S2S频率，取平均值为实验频率. （二）驻波法测声速（二）驻波法测声速 1.把信号频率设定为共振频率.2.将移到接近处（不
7、要相接触不要相接触）.从约 3cm 间距开始，由近至远缓慢移动，2S1S2S当示波器上出现振幅最大的波形时，从数显尺（或机械刻度）上读出读数.0x3.沿同一方向，再次移动，逐个记录振幅最大时的位置，共 82S721,xxxLL个. 4.将数据记入表格 24-1，并记录实验时的室温 .用逐差法处理数据，由下面给出t 的公式，计算波长、声速和误差：平均值，波长，实验声速，理论声速 4141nnlll21 fv实（是时空气中15.27315.27345.33100t TTvv理1 0sm45.331vK15.2730T的声速） ，相对误差%100r理理实 vvvE（三）相位比较法测声速（三）相位比较
8、法测声速 1.将信号频率设定为共振频率. 2.调整示波器,在水平方向接入发射端波形,在垂直方向接入接收端波形,使示波器 上显示出椭圆形李萨如图形.3.缓慢移动，观察示波器屏幕上是否出现直线-椭圆-直线的图形变化.2S4.从约 3cm 间距开始，由近至远缓慢移动，使示波器上出现一正斜率直线“/”2S（或负斜率直线“” ） ，记下相应的读数.0x5.移动，逐渐增大间距，使示波器屏幕上交替地出现直线“”和“/” ，依次记2S录其位置，共 8 个.721,xxxLL6.将数据记入表格 24-2，并记录实验时的室温 .t五、注意事项五、注意事项1.仪器使用中，应避免声速测试仪信号源的输出端短路；2.实验
9、中，和不能互相接触，否则会损坏压电换能器；1S2S3.由于声波在空气中衰减较大，声波振幅随远离而显著变小，实验时应随时2S1S调节示波器垂直方向的衰减旋钮； 4.螺旋来回转动会产生螺距间隙偏差，测量时应沿一个方向转动超声波测试仪鼓 轮.六、数据处理六、数据处理七、误差分析七、误差分析八、附原始数据记录表格（注：实验时记录在原始数据上用）八、附原始数据记录表格（注：实验时记录在原始数据上用）表表 24-124-1 驻波法法测声速驻波法法测声速 （） ， (Hz)tf次数01234567nx（cm）（cmnnnxxl4）04xx15xx26xx37xx表表 24-224-2 相位比较法测声速相位比较法测声速 （） ， (Hz)tf次数01234567nx（cm）（cmnnnxxl4）04xx15xx26xx37xx
