ZKY-SS型声速测定实验仪技术说明书【概述】ZKY—SS型声速测定实验仪是为测量在空气、液体中声波传播速度而设计的 专用仪器仪器可用于大学基础物理实验，是振动与波、压电陶瓷应用、示波器 应用和声纳技术应用的一个好实验ZKY—SS型声速测试仪不但覆盖了基础物理声速实验中常用的二种测试方 法，还可以用工程中实际使用的声速测量方法一时差法进行测量在时差法工作状态下，使用示波器，可以明显地观察声波在传播过程中经过 多次反射、叠加而产生的混响波形ZKY—SS型声速测试仪有ZKY—SSA型和ZKY—SSB型两个子型号产品实验装置介绍】实验仪由超声实验装置（换能器及移动支架组合）和声速测定信号源组成； 另有水槽（学购件）和固体试验样品（选购件）超声实验装置（换能器及移动支架组合）声速测定信号源收ca?) it收程爛 © ®声遠测定实验仪媒冷鬣为 （—HL豆O成都吐纪中科仪器有琨公司超声实验装置中发射器固定，摇动丝杆摇柄可使接收器前后移动，以改变发 射器与接收器的距离丝杆上方安装有数字游标尺（带机械游标尺），可准确显示 位移量整个装置可方便的装入或拿出水槽声速测定信号源面板上有一块LCD显示屏用于显示信号源的工作信息；还具 有上下、左右按键，确认按键、复位按键、频率调节旋钮和电源开关。
上下按键 用作光标的上下移动选择，左右按键用作数字的改变选择，确认按键用作功能选 择的确认以及工作模式选择界面与具体工作模式界面的交替切换同时还有超声发射驱动信号输出端口（简称T R,连接到超声波发射换能器）、 超声发射监测信号输出端口（简称MT,连接到示波器显示通道1）、超声接收信号 输入端口（简称RE,连接到超声波接收换能器）、超声接收信号监测输出端口（简 称MR,连接到示波器显示通道2）声速测定信号源具有选择、调节、输出超声发射器驱动信号；接收、处理超 声接收器信号；显示相关参数：提供发射监测和接收监测端口连接到示波器等其 它仪器等功能开机显示欢迎界面后，自动进入按键说明界面按确认键后进入工作模式选 择界面，可选择驱动信号为连续正弦波工作模式（共振干涉法与相位比较法）或脉 冲波工作模式（时差法）选择连续波工作模式，按确认键后进入频率与增益调节界面；在该界面下将 显示输出频率值；发射增益档位，接收增益档位等信息，并可作相应的改动选择脉冲波工作模式，按确认键后进入时差显示与增益调节界面；在该界面 下将显示超声波通过目前超声波换能器之间的距离所需的时间值；发射增益档 位，接收增益档位等信息，并可作相应的改动。
用频率调节旋钮调节频率，在连续波工作模式下显示屏将显示当前输出驱动 信号的频率值增益可在0档到3档之间调节，初始值为2档；发射增益调节驱动信号的振 幅；接收增益将调节接收信号放大器的增益，放大后的接收信号由接收监测端口 输出以上调节完成后就可进行测量了改变测量条件可按确认键，将交替显示模式选择界面或频率（时差显示）与增 益调节界面按复位键将返回欢迎界面仪器配套与附件】ZKY SSA 型:1.超声实验装置（换能器及移动支架组合、机械尺）ZKY-SSA一台2.声速测定仪信号源ZKY-SS一台3.信号连接电缆两条4.电源连接电缆一条5.使用说明书一本6.备用保险管1.25A （已装于电源插座保险备管座内）一个ZKY_SSB 型：1.超声实验装置（换能器及移动支架组合、数显尺）ZKY-SSB一台2.声速测定仪信号源ZKY-SS一台3.信号连接电缆两条4. 电源连接电缆 一条5. 使用说明书 一本6. 备用保险管1.25A (已装于电源插座保险备管座内) 一个选购件：1. 水槽(选购件) 一个2. 固体试样(选购件) 一套【主要技术参数】1. 超声实验装置(ZKY-SSA和ZKY-SSB)：1.1环境适应性：工作温度10—35°C:相对湿度25-75%o1.2配对压电陶瓷换能器：谐振频率：37±2kHz;可承受的连续电功率不小 于 10Wo1.3两换能器之间测试距离：50—250mm1.4外形：测试架外形尺寸：500mmX I OOmmX 170mm2. 声速测试仪信号源(ZKY-SS):2. 1 连续波频率范围：30kHz — 45kHz,分辨率：1Hz, 5位数字显示2.2脉冲调制信号源载波信号频率范围：同连续波频率范围脉冲调制波宽度：16个载波周期脉冲调制波周期：16ms2. 3计时范围：0.1us—10ms,分辨率：0. lus, 5位数字显示2. 4激励输出电压：最大输出电压：15Vp-p;最大输出功率：2W ,四档可调2.5接收信号放大器：四档可调，放大倍率：1, 2, 5, 102. 6抗电强度：50Hz正弦波500V电压1 min耐压试验。
2.7工作电压：交流220V (±10%) 最大工作电流：0.1A2. 8 仪器外形尺寸： 280mmX320mmX 140mm3. 选购件：3. 1 水槽：外形尺寸:445mmX135mmX95mm,容积：429mmX119mmX79mm3. 2固体试样：一套三件：10cm , 15cm, 20cm各一件【维护保养和注意事项】a) 不使用时，应存放空气温度在0〜35°C的室内架子上;架子离地高度大于100mm;b) 每次使用完毕后，用干燥清洁的抹布将测试架及螺杆清洁干净；c) 仪器应在清洁干净的场所使用，避免阳光直接暴晒和剧烈颠d) ZKY-SS型超声实验装置测试机架为有机玻璃制作，使用时 应谨慎，以防止发生意外；e) 使用时，应避免声速测试仪信号源的信号输出端短路；ZKY—SS型声速测定实验仪的保修期为一年声速的测定【实验目的】1. 了解超声换能器的工作原理和功能2. 学习不同方法测定声速的原理和技术3. 熟悉测量仪和示波器的调节使用4. 测定声波在空气及水中的传播速度【实验仪器】1. ZKY—SS型声速测定实验仪 一台2. 双踪示波器 一台【实验原理】声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。
声波在媒质中传播时，声速，声衰减等诸多参 量都和媒质的特性与状态有关,通过测量这些声学屋可以探知媒质的特性及状态变化例如, 通过测量声速可求出固体的弹性模量；气体、液体的比重、成分等参量在同一媒质中，声速基本与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹, 声速变化不到万分之二由于超声波具有波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点, 我们通过测屋超声波的速度来确定声速超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广 泛应用声速的测量方法可分为两类：第一类方法是直接根据关系式V二S / t,测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速, 称为“时差法”，这是工程应用中常用的方法第二类方法是利用波长频率关系式V=f・X,测量出频率f和波长X来计算出声速，测 量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”，本实验用三种方法测量气体和液体中的 声速1.压电陶瓷换能器压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上会产生一定的电场巳它们之间 有线性关系E二名・F反之，当在压电材料的极化方向上加电压E时，材料的伸缩形变S与 电压E也有线性关系S二a・E,比例系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。
本实验采 用压电陶瓷超声换能器将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动压电陶瓷片是换能 器的工作物质，它是用多晶体结构的压电材料（如钛酸顿，皓钛酸铅等）在一定的温度下经极 化处理制成的在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属组成的夹心型振子，就构成了换能 器.由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩，这样所发射的 声波，方向性强，平面性好每一只换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频 率，才能有效的发射（或接收）实验时用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，二换 能器的表面互相平行，且谐振频率匹配2.共振干涉（驻波）法测声速到达接收器的声波，一部分被接收并在接收器电极上有电压输出，一部分被向发射器方 向反射由波的干涉理论可知，两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波，驻波中振幅最人 的点称为波腹，振幅最小的点称为波节，任何两个相邻波腹（或两个相邻波节）之间的距离都 等于半个波长改变两只换能器间的距离，同时用示波器监测接收器上的输出电压幅度变化，可观察到电压幅度随距离 周期性的变化记录下相邻两次出现最大电压数值时游标尺的读数两读数之差的绝对值应 等于声波波长的二分之一。
已知声波频率并测出波长，即可计算声速实际测量中为提高测 量精度，可连续多次测量并用逐差法处理数据接收到的波形换能器移动方向3. 相位比较（行波）法测声速当发射器与接收器之间距离为L时，在发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号 之间将有相位差 ①二2兀L/入二2兀n+ —若将发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号分别接到示波器的X及Y输入端, 则相互垂直的同频率正弦波干涉，其合成轨迹称为李萨如图，如图1所示当接收器和发射器的距离变化等于一个波长时，则发射与接收信号之间的相位差也正好变化 一个周期（§P A 0=2 n ）,相同的图形就会出现反之，当准确观测相位差变化一个周期时接 收器移动的距离，即可得出其对应声波的波长入，再根据声波的频率，即可求出声波的传播△<[>=0 △①=兀4△①=兀'2 △①=3兀/4 △①=兀 △①=5皿4 △①=3兀/2 △◎=7兀/4图1相位差不同时的李萨如图4. 时差法测量声速若以脉冲调制正弦信号输入到发射器，使其发出脉冲声 波，经时间t后到达距离L处的接收器接收器接收到脉冲 信号后，能量逐渐积累，振幅逐渐加大，脉冲信号过后，接 收器作衰减振荡，如图2所示。
t可由测量仪自动测量，也 可从示波器上读出实验者测出L后，即可由V二L / t计算声 速实验内容与步骤】一、声速测定仪系统的连接与工作频率调节1.连接装配（如图3所示）超声实验装置和声速测定仪信号源及双踪示波器之河的连接如下:1. 1测试架上的换能器与声速测定信号源之间的连接：信号源面板上的发射驱动端I I （TR）,用于输出一定频率的功率信号，请接至测试架左边 的发射换能器（定子）；仪器面板上的接收换能器信号输入端I I （RE），请连接到测试架右边的 接收换能器（动子）1. 2示波器与声速测定信号源之间的连接：信号源面板上的超声发射监测信号输出端I l（MT）输出发射波形，请接至双踪示波器的 CHI （Y通道），用于观察发射波形；仪器面板上的超声接收监测信号输出端I I输出接收的波形，请接至双踪示波器的CH2（X通道），用于观察接收波形模式选择界面，可选择驱动信号为连续正弦波工作模式（共振干涉法与相位比较法）或脉冲波 工作模式（时差法）：在工作模式选择界面中选择驱动信号为连续正弦波工作模式，在连续正 弦波工作模式中是信号源工作预热15分钟3. 调节驱动信号频率到压电陶瓷换能器系统的最佳工作点只有当发射换能器的发射面与接收换能器的接收面保持平行时才有较好的系统工作效 果。
为了得到较清晰的接收波形，还须将外加的驱动信号频率调节到发射换能器的谐振频 率点处时，才能较好的进行声能与电能的相互转换，以得到较好的实验效果按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率估计一下示波器的扫描时基并进行调 节，使在示波器上获得稳定波形以目前使用的换。