《实验1 超声波声速的测量(301)》由会员分享,可在线阅读,更多相关《实验1 超声波声速的测量(301)(6页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
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