试验八 声速测量【试验目的】1. 了解压电换能器的功能，加深对驻涉及振动合成等理论学问的理解2. 学习用共振干预法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度3. 通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的有用意义试验原理】在波动过程中波速V 、波长l 和频率f 之间存在着以下关系： V = f · l ，试验中可通过测定声波的波长l 和频率f 来求得声速V 常用的方法有共振干预法与相位比较法声波传播的距离L 与传播的时间t 存在以下关系： L = V · t ，只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V ，这就是时差法测量声速的原理1. 共振干预法〔驻波法〕测量声速的原理：当二束幅度一样，方向相反的声波相交时，产生干预现象，消灭驻波对于波束1：F = A · cos(w t - 2p · X / l) 、波束 2：F = A · cos(w t + 2p · X / l)，当它们相交会时，1 F = 2A · cos(2 2 X / l)· cos w t w t经过的时间， X 为经过的距离由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按cos(2p · X / l)叠加后的波形成波束 3： 3 p ·，这里为声波的角频率， 为变化。
如图 1 所示 压电陶瓷换能器S1作为声波放射器，它由信号源供给频率为数千周的沟通电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器S2则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形声源S1发出的声波，经介质传播到S2，在接收声波信号的同时反射局部声波信号，假设接收面〔 S2〕与放射面〔 S1〕严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与放射波相干预形成驻波我们在示波器上观看到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动状况移动S2位置〔即转变S 与S1 2之间的距离〕，你从示波器显示上会觉察当S2在某些位置时振幅有最小值或最大值依据波的干预理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间〔或二相邻的振幅最小值的位置之间〕的距离均为 l / 2 为测量声波的波长，可以在一边观看示波器上声压振幅值的同时，缓慢的转变S 和S1 2之间的距离示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到11最大，二相邻的振幅最大之间S2移动过的距离亦为l / 2 超声换能器S2至S 之间的距离1的转变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声波测试仪信号源频率显示窗口直接读出。
在连续屡次测量相隔半波长的S 的位置变化及声波频率f 以后，我们可运2用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据2. 相位法测量原理：声源S1发出声波后，在其四周形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的但它和声源的振动相位差DF 不随时间变化设声源方程为： F1= F · cosw t01距声源X 处S2接收到的振动为： F2= F · cosw(t - X)02 Y两处振动的相位差： DF = w X YX = (2n + 1)l / 2当把S 和S 的信号分别输入到示波器X 轴和Y 轴，那么当X = n · l 即 DF = 2np1 2时，合振动为一斜率为正的直线，当，即DF = (2n + 1)p 时，合振动为一斜率为负的直线，当X 为其它值时，合成振动为椭圆〔如图 2〕3. 时差法测量原理：以上二种方法测声速，是用示波器观看波谷和波峰，或观看二个波的相位差，原理是正确的，但存在读数误差较准确测量声速的方法是承受声波时差法，时差法在工程中得到了广泛的应用它是将经脉冲调制的电信号加到放射换能器上，声波在介质中传播，经过时间t 后，到达距离为L 处的接收换能器，那么可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。
速度V L / t 试验仪器】试验仪器承受杭州精科仪器生产的SV6 型声速测量组合仪及SV5 型声速测定专用信号源各一台其外形构造见图4组合仪主要由储液槽、传动机构、数显标尺、两副压电换能器等组成储液槽中的压电换能器供测量液体声速用，另一副换能器供测量空气及固体声速用作为放射超声波用的换能器 S1固定在储液槽的左边，另一只接收超声波用的接收换能器S2装在可移动滑块上上下两只换能器的相对位移通过传动机构同步行进，并由数显表头显示位移的距离S 放射换能器超声波的正弦电压信号由SV5 声速测定专用信号源供给，换能器S 把1 2接收到的超声波声压转换成电压信号，用示波器观看；时差法测量时则还要接到专用信号源进展时间测量，测得的时间值具有保持功能试验时用户需自备示波器一台；300mm 游标卡尺一把，用于测量固体棒的长度试验内容】一．声速测量系统的连接：声速测量时， SV5 专用信号源、SV6 测试仪、示波器之间，连接方法见图5 二．谐振频率的调整：依据测量要求初步调整好示波器将专用信号源输出的正弦信号频率调整到换能器的 谐振频率，以使换能器放射出较强的超声波，能较好地进展声能与电能的相互转换，以得到较好的试验效果，方法如下：1. 将专用信号源的“放射波形”端接至示波器，调整示波器，能清楚地观看到同步的正弦波信号；2. 专用信号源的上“放射强度”旋钮，使其输出电压在20V左右，然后将换能器的接(25kHz ~ 45kHz)P-P收信号接至示波器，调整信号频率 ，观看接收波的电压幅度变化，在某一频率点处〔 34.5kHz ~ 39.5kHz之间，因不同的换能器或介质而异〕电压幅度最大，此频率即是压电换能器S 、S1 2相匹配频率点，记录此频率f 。
i3. 转变S 、S1 2的距离，使示波器的正弦波振幅最大，再次调整正弦信号频率，直至示波器显示的正弦波振幅到达最大值共测5 次取平均频率f 三．共振干预法、相位法、时差法测量声速的步骤： 1．共振干预法〔驻波法〕测量波长：将测试方法设置到连续方式按前面试验内容二的方法，确定最正确工作频率观看示波器，找到接收波形的最大值，记录幅度为最大时的距离，由数显尺上直接读出或在机械刻度上读出；登记S 位置X 然后，向着同方向转动距离调整鼓轮，这时波形的幅度2 0会发生变化〔同时在示波器上可以观看到来自接收换能器的振动曲线波形发生相移〕，逐个登记振幅最大的X ， X ，… X 共 10 个点，单次测量的波长l = 2 · X - X 1 2 9 i i i-1用逐差法处理这十个数据，即可得到波长l 2. 相位比较法〔李萨如图法〕测量波长：将测试方法设置到连续波方式确定最正确工作频率，单踪示波器接收波接到“ Y ”，放射波接到“ EXT ”外触发端；双踪示波器接收波接到“CH1”，放射波接到“ CH2 ”，打到“ X - Y ” 显示方式，适当调整示波器，消灭李萨如图形转动距离调整鼓轮，观察波形为确定角度的斜线，登记S 的位置X ，再向前或者向后〔必需是一个方向〕移动2 0距离，使观看到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器S 的振动2波形发生了 2p相移。
依次登记示波器屏上斜率负、正变化的直线消灭的对应位置 X ，1X ，… X 单次波长l = 2 · X - X 屡次测定用逐差法处理数据，即可得到波2 9 i i i-1长l 3. 干预法、相位法的声速计算：波长 l 和平均频率 f 〔频率由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出〕，则声速V = f · l由于声速还与介质温度有关，故请登记介质温度t (°C) 4. 时差法测量声速： (1〕空气介质：测量空气声速时,将专用信号源上“声速传播介质”置于“空气”位置 ,放射换能器〔带有转轴〕用紧定螺钉固定，然后将话筒插头插入接线盒中的插座中11将测试方法设置到脉冲波方式将S 和S1 2之间的距离调到确定距离〔≥ 50mm 〕开启数显表头电源，并置 0 ，再调整接收增益，使示波器上显示的接收波信号幅度在300 ~ 400mV 左右〔峰-峰值〕，以使计时器工作在最正确状态然后记录此时的距离值和显示的时间值L 、t (时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)；移动S ，记i-1 i-1 2录下这时的距离值和显示的时间值L 、 ti i则声速V1= (Li- Li-1) /(ti- t ) 。
i-1记录介质温度t (°C) 需要说明的是，由于声波的衰减，移动换能器使测量距离变大〔这时时间也变大〕时， 假设测量时间值消灭跳变，则应顺时针方向微调“接收放大”旋钮，以补偿信号的衰减； 反之测量距离变小时，假设测量时间值消灭跳变，则应逆时针方向微调“接收放大”旋钮， 以使计时器能正确计时2〕液体介质：当使用液体为介质测试声速时，先留神将金属测试架从储液槽中取出，取出时应用手指稍稍抵住储液槽，再向上取出金属测试架然后向储液槽注入液体，直至液面线处，但不要超过液面线留意：在注入液体时，不能将液体淋在数显表头上，然后将金属测试架装回储液槽专用信号源上“声速传播介质”置于“液体”位置，换能器的连接线接至测试架上的“液体”专用插座上，即可进展测试，步骤与1 一样记录介质温度t (°C) 〔3〕固体介质：(只适合用时差法测量)测量非金属〔有机玻璃棒〕、金属〔黄铜棒〕固体介质时，可按以下步骤进展试验：① 将专用信号源上的“测试方法”置于“脉冲波”位置，“声速传播介质”按测试材质的不同，置于“非金属”或“金属”位置② 先拔动身射换能器尾部的连接插头，再将待测的测试棒的一端面小螺柱旋入接收换能器中心螺孔内，再将另一端面的小螺柱旋入能旋转的放射换能器上，使固体棒的两端面与两换能器的平面牢靠、严密接触，留意：旋紧时，应用力均匀，不要用力过猛，以免损坏螺纹，拧紧程度要求两只换能器端面与被测棒两端严密接触即可。
调换测试棒时，应先拔 动身射换能器尾部的连接插头，然后旋动身射换能器的一端，再旋出接收换能器的一端③ 把放射换能器尾部的连接插头插入接线盒的插座中，按图5(b) 接线，即可开头测量④ 记录信号源的时间读数，单位为m s 测试棒的长度可用游标卡尺测量得到并记录⑤ 用以上方法调换其次长度及第三长度被测棒，重测量并记录数据⑥ 用逐差法处理数据，依据不同被测棒的长度差和测得的时间差计算出被测棒的声速数据处理】1. 自拟表格记录全部的试验数据，表格要便于用逐差法求相应位置的差值。