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1、超声声速仪 测声速,曹海燕,有关声波研究的应用和发展,1、声音与我们的生活,2、声速测量的目的,3、声速测量的发展,1、声音与我们的生活,自然界中充满了各种各样的声音：收音机里播放的悦耳音乐声，飞机掠过长空时扰人的噪声，狂风的呼啸声，海祷 的怒吼声，爽朗的欢笑声，欢畅的交谈声，等等，在日常生 活中处处都可以听到。可见声音与我们的生活是密切相关的。,人类对声学的研究最早可以追溯到公元前580年埃及人毕达 哥拉斯。 而古希腊人亚里士多德接触到声学理论，他 持有关于空气的运动性质构成声音的正确思想，并且他还知道，如果管的长度加倍，则管内的振动就要花两倍的时间。,今天人们对声音的研究，从语音声学、生理
2、声学、 建筑声学、环境声学、水声学、超声学等等，遍及各个 领域。,牛顿在他的原理中对声速作了理论推导，但实 验的结果与此并不相符，牛顿推测了实验值和理论值之间 不一致的原因。但是，真正的解释是在过了一个世纪之后 由拉普拉斯(17491827)做的。 牛顿没有考虑到由于压缩 变热和稀疏致冷引起的弹性变化。,特别值得一提的是次声波，次声波指的是频率在 0.0001赫兹至20赫兹之间的波。虽然我们的耳朵听不见 它，在我们周围由自然和人工产生的次声波也很多。,如火山爆发、地震、流星爆炸、极光、雷电、 磁暴、台风、龙卷风、晴空湍流、风暴、海浪、电 离层扰动、核爆炸、火箭发射、大炮、化学爆炸、 飞机、火车
3、、高速行驶中的汽车、某些大型工厂、 高楼、风吹过高山等等，都会在一定的条件产生次 声波。 虽然早在上百年前就首次记录到了次声波， 可是人们次对声的认识却没有多大进展。到近二十 年来，科学技术有了飞跃的发展，人们对自然界中 次声现象及次声传播规律的认识才有了较大提高,它的应用前景是很广阔的，大致可分为下列几个方面：预测自然灾害性事件；通过测定次声波受大气其他波动的影响结果 ；探测气象运动的性质和规律；生物学以及核爆炸、火箭发射的影响等。,2、声速测量的目的,声学测量和分析是人们认识声学问题本质的一种手段。通过必要的测量和分析可以对声学有定量概念，从而了解其规律性。,声学测量通常是指先用电声(或机
4、电)换能器把声波(或振动)转换成相应的电信号，然后用电子仪表放大到一定的电压，再进行测量与分析的技术以及有关声学仪器的工作原理,3、声速测量的发展,二十世纪以来，声学测量技术发展很快目前 声学仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频 范围和动态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响 应等。,过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪 表，测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代 初。出现了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了 测量时读数的准确度。 由于计算技术和高质量、低 功耗的大规模集成电路的发展，人们已能用由微处理 机控制的自动测量代替逐点测量，使许多需要事后计 算的声学测量和分析工作可以用
5、微计算机实时运算。,以微处理机为中心的测量仪器，不但实现了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里叶换算法从而实现了实时分析。同时也出现了一些新的声学测量和分析方法，例如实时频谱分析，声强测量，声源鉴别，瞬态信号分析，相关分析等。 今后声学测量的任务是采用新的测量技术，提出新的测量力法，使用自动化数字式仪器，以提高测量的淮确度和速度。,回顾历史，可以看到，在发展经典声学的 过程中，许多研究工作是直接用人耳来听声音的。直到本世纪，发展了无线电电子学，才使声波的测量采用了电声换能器和电子测量仪器。,高性能的测量传声器、频谱分祈仪和声级记 录器实现了声信号的声压级测量，频谱分析和声情号特性的自动记录；
6、从而可以测量各种不同频率、不同强度和波形的声波，扩展了声学的研究范围，促进了近代声学的发展。可以期望，计算技术和大规模集成电路的发展，微计算机和微处理机在声学工作中的应用，必将促使近代声学进一步发展,实 验 目 的,1、学习用共振干涉法和相位比较法测定空气 中的声速。加深对共振、振动合成、波的 干涉等理论,2、了解压电换能器的功能及超声波 的产生、发射、传播和接受原 理 3、熟悉低频信号函数发生器、模拟 示波器的使用使用方法。,四、实验仪器,五、实验内容,1.声速测量仪,2.压电传感器,3.模拟示波器,4.函数信号信号发生器,六、数据处理,一、声速的特点,频率在2020000Hz的声振动在弹性
7、媒质中所激起的纵波称声波。声波是一种机械波。频率超过20000Hz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。,声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决于空气本身的性质，因此有,-绝热系数，R-摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度,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。因此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。 在标准状态下，0 oC时，声速为 vo331.45ms，显然在 t oC时，干燥空气中声速的理论值应为,由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是不同的 。,二、实验原
8、理,本实验是对超声波波速的测量。测量声速最简单、最有效的方法之一是利用声速v 、振动频率 f 和波长 之间的基本关系，即,v=f 测出声振动频率 f 和声波的波长 ，就可算出声波的波速 v。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。,实验室中常利用，用共振干涉法、相位法比较法测定波长 ，由函数发生器或示波器直接读出频率 f。,1.共振干涉法,三、测量原理,位移,S2,S1,声压,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。
9、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，可以证明：相邻两极大值之间的距离为半波长。,为了测出驻波相邻波腹或相邻波节之间的半波长距离，可改变s1和s2之间的距离，此时，可以看到示波器上显示的信号幅度发生周期性的大小变化，即由一个极大变到极小，再变到极大，而幅度每一次周期性的变化，就相当于s1、s2之间的距离改变了。s1、s2之间距离的改变由游标尺测得。由信号源可读出超声源的频率f，这样就可计算出声速v。,2. 相位法,波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何
10、两点，其振动状态相同(同相: 相位差为0)或者说其相位差为2的整数倍时两点间的距离应等于波长的整数倍，即 l = n (n为一正整数),利用这个公式可测量波长。,相位法又可分为行波法和李萨如图形法。,(1)行波法,将发射信号和接收信号同时输入到示波器，此时示波器上同時显示的发送和接收电信号。当改变两个换能器之间的距离时，发送信号不变，而接收电信号（正弦波）的幅值和位置均发生变化，当接收电信号的位置与发射信号的位置前后两次重合时接收器走过的距离，就是信号的波长。,(2)李萨如图法,从s1发出的超声波通过媒质达到接收头s2，在发射波和接收波之间产生相位差，此相位差和角频率（=2f）、传播时间、声速
11、v、距离l、波长之间有下列关系：,由上式可知，若要使相位差改变2，那么， s1和s2的间距l就要相应地改变一个波长 。于是， 根据相位差的2变化，便可以测量出波长来。声 波频率由信号源读出，根据上式便可算出声速。,（,我们可以通过示波器来观察相位差。互相垂直 的两个谐振动的合成，能得到李萨如图形。如果两 个谐振动的频率相同，则李萨如图形就很简单。随 着两个振动的相位差从0变化，图形从斜率为 正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。选择判 断比较灵敏的亦即李萨如图形为直线的位置作为测 量的起点。每移动一个波长的距离就会重复出现同 样斜率。,用李萨如图形观测相位的变化,两个同斜率直线所对应的传感器间
12、距为一个波长 。,四、实验仪器,本实验使用的仪器主要有：声速测量仪、 函数发生器和示波器。 声速测量仪由：超声压电陶瓷换能器、带有标尺的底座和读数装置构成，用来作声压与电压之间的转换，以及波长的测量。 函数发生器用来产生超声波； 示波器用来观察超声波的振幅、相位和频率。,读数装置,压电陶瓷换能器,底座,传感器及它的内部结构,传感器是物理实验中常用的间接测量元件。本实验 中使用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来 产生机械振动并在空气中激发出超声波。另一个用来接收 振动，同时电输出端产生相应的电信号。,本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的转换。压电换能器做波源具平面性、单色
13、性好以及方向性强的特点。同时，由于频率在超声范围内，一般的音频对它无干扰。频率提高，波长就短，在不长的距离中可测到许多个，取其平均值，的测定较准确。这些都可使实验的精度大大提高。 压电陶瓷超声换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成。压电陶瓷片（如钛酸钡、锆钛酸铅等）是由一种多晶结构的压电材料做成的，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。,反之，当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与电压U也有线性关系S=dU。比例常数g、d称为压电常数，与材料性质有关。由于E、T、S、U之间具有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的波
14、源，同样也可以使声压变化转变为电压的变化，用来接收声信号。,在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力T时，在极化方向上产生一定的电场强度E，它们之间有一简单的线性关系E=gT；,在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属，组成夹心型振子。头部用轻金属做成喇叭型，尾部用重金属做成锥型或柱型，中部为压电陶瓷圆环，紧固螺钉穿过环中心。这种结构增大了辐射面积，增强了振子与介质的耦合作用，由于振子是以纵向长度的伸缩直接 影响头部轻金属作同样的纵向长度伸缩（对尾部重金属作用小），这样所发射的波方向性强，平面性好。,传感器内部结构,压电陶瓷片,电输入或输出端,铝外壳,开关,显示屏,第二通道,第一通道,一通道放
15、大、衰减器,二通道放大、衰减器,时基扫描,聚焦,辉度,频率调节,频率范围选择,信号输出,函数选择,开关,信号发生器,五、实验内容,2、利用共振驻波法测量声速,3、利用行波法测量声速,4、利用李萨如图法测量声速,1、谐振频率的调整,1、谐振频率的调整,改变信号发生器的频率时，看到,2、利用共振驻波法测量声速,将换能器的接收端接入示波器的CH1通道，当改 变换能器之间的距离时,3、利用行波法测量声速,保持刚才的接线，同时将发射波接入CH2, 选择触 发与发射波同步，当改变换能器之间的距离时,4、利用李萨如图法测量声速,保持刚才的接线，水平显示选择X-Y，当改变 换能器之间的距离时,【数据处理】,1
16、实验结果与理论值比较，计算相对误差。 大气中声速与温度、湿度机器呀等有密切关系，根据声学理论，一般条件下的校准声速为 式中，t为室温 ， 为大气压 ( ) , 为水蒸气分压,2用逐差法处理数据，计算波长值，求出声速实验 测量值v，求出声速的绝对不确定度。 3. 分析误差产生的原因。,1简述共振干涉法、相位比较法测声速的原理、方法。画出实验电路图。 2要在示波器屏上看到李萨如图形，应如何调节示波器？ 3用逐差法处理数据的优点是什么？ 4在声速测量实验中为什么要在换能器谐振状态下测定空气中的声速？为什么换能器的发射面和接收面要保持平行？ 5.比较各种测量方法的优缺点,【思考题】,谢 谢,太原理工大学 物理实验中心,
