超声波声速的测量.pptx

五、实验仪器介绍五、实验仪器介绍1.1.声速测量仪（压电陶瓷换能器）声速测量仪（压电陶瓷换能器）2.2.示波器示波器3.3.信号发生器信号发生器六、思考题六、思考题第1页/共29页一、声波研究的应用一、声波研究的应用1 1、声波的特点、声波的特点2 2、声速测量的目的、声速测量的目的3 3、声速测量的发展、声速测量的发展第2页/共29页1 1、声波的特点、声波的特点 频率在频率在202020000Hz20000Hz的声振动在弹性媒质中所激起的声振动在弹性媒质中所激起的纵波称声波，声波是一种机械波。频率超过的纵波称声波，声波是一种机械波。频率超过20000Hz20000Hz的声波称为超声波。次声波指的是频率在的声波称为超声波。次声波指的是频率在0.00010.0001赫兹至赫兹至2020赫兹之间的波。赫兹之间的波。声波的频率、波长、速度、相位等是其重要特性。声波的频率、波长、速度、相位等是其重要特性。在在标标准准状状态态下下，0C0C时时，声声速速为为 v vo o331.45m331.45ms s，显然在显然在 t tC时，干燥空气中声速的理论值应为时，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不同的 。第3页/共29页 声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取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（如同弦上横波的传播速度与弦的决于空气本身的性质（如同弦上横波的传播速度与弦的振动频率无关，取决与弦线的张力与线密度），振动频率无关，取决与弦线的张力与线密度），因此，因此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。-绝热系数，绝热系数，R-R-摩尔气体常数，摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质量，空气分子的摩尔质量，T T-绝对温度绝对温度第4页/共29页2 2、声速测量的目的、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，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。从而了解其规律性。声速与传声媒质的特性及状态有关，例如液体和声速与传声媒质的特性及状态有关，例如液体和固体的弹性模量与密度的比值一般比气体大，其中的固体的弹性模量与密度的比值一般比气体大，其中的声速也较大。通过对超声波声速的测量，可以了解被声速也较大。通过对超声波声速的测量，可以了解被测媒质的特性及状态的变化，在工业生产上具有一定测媒质的特性及状态的变化，在工业生产上具有一定的实用意义，如测量气体或溶液的浓度、以及输油管的实用意义，如测量气体或溶液的浓度、以及输油管中不同油品的分界面等等。此外，声速的测量在声波中不同油品的分界面等等。此外，声速的测量在声波探伤、定伤、测距、显示等方面也有着重要的意义。探伤、定伤、测距、显示等方面也有着重要的意义。第5页/共29页3 3、声速测量的发展、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，如宽的频率范围和动仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响应等。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，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微计算机实时运算。以用微计算机实时运算。第6页/共29页 以微处理机为中心的测量仪器，不但实现了小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，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。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。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。采用了电声换能器和电子测量仪器。第7页/共29页1.1.理解压电陶瓷换能器的工作原理；理解压电陶瓷换能器的工作原理；2.2.掌握使用共振干涉法和相位比较法测量声掌握使用共振干涉法和相位比较法测量声波波速；波波速；3.3.学习使用示波器进行信号接受和相位比较；学习使用示波器进行信号接受和相位比较；4.4.了解声波研究的应用。了解声波研究的应用。二、实验目的第8页/共29页压电陶瓷换能器工作原理 本实验所使用的压电陶本实验所使用的压电陶瓷换能器，一个是用来产生瓷换能器，一个是用来产生机械振动并在空气中激发出机械振动并在空气中激发出超声波；另一个用来接收振超声波；另一个用来接收振动，同时在电输出端产生相动，同时在电输出端产生相应的电信号。压电系统有一应的电信号。压电系统有一谐振频率，系统工作在谐振谐振频率，系统工作在谐振频率时，产生机械谐振，此频率时，产生机械谐振，此时得到的电信号最强。时得到的电信号最强。三、实验原理第9页/共29页正压电效应：正压电效应：当压电材料受到与极化方向一致的应力T的作用而变形时，其内部就产生极化现象，在它的两个表面上就带有符号相反的电荷，在极化方向上产生一定的电场强度E，且具有线性关系：E=T；当力方向改变时，电荷的极性也随着改变；当外力去掉后，它又重新恢复不带电时的状态。压电式传感器工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。压电式传感器工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。逆压电效应：逆压电效应：当在压电材料的极化方向施加与极化方向一致的外加电压U，这些材料会产生伸缩形变，且与U有线性关系：S=dU；若施加交变电场，则介质因形变而振动。第10页/共29页1、压电陶瓷换能器谐振频率的调节 根据示波器显示的波形幅度确定根据示波器显示的波形幅度确定换能器（发射端）激励信号频率。换能器（发射端）激励信号频率。改改变信号发生器的频率时，看到变信号发生器的频率时，看到参数测量：谐振频率：室温：四、实验内容第11页/共29页2、声速测量的方法 本本实实验验是是对对超超声声波波波波速速的的测测量量。测测量量声声速速最最简简单单、最最有有效效的的方方法法之之一一是是利利用用声声速速v v、振振动动频频率率 f f 和和波波长长 之间的基本关系，即之间的基本关系，即测量波长测量波长有两种方法：有两种方法：）相位比较法）相位比较法）共振干涉法）共振干涉法 本实验在换能器谐振状态下进行声速的测量，振动频率本实验在换能器谐振状态下进行声速的测量，振动频率f f即为所用换能器的谐振频率即为所用换能器的谐振频率第12页/共29页1）相位比较法波波是是振振动动状状态态的的传传播播，也也可可以以说说是是相相位位的的传传播播。沿沿传传播播方方向向上上的的任任何何两两点点，其其振振动动状状态态相相同同,即即同同相相(相相位位差差为为0 0或或者者说说其其相相位位差差为为2 2的的整整数数倍倍)，两两点点间间的距离的距离 l 应等于波长应等于波长的整数倍，即的整数倍，即 (n(n为正整数为正整数)利用这个公式可测量波长。利用这个公式可测量波长。注：声波是纵波，图以横波示例，为清楚说明物理量的关系。注：声波是纵波，图以横波示例，为清楚说明物理量的关系。第13页/共29页 位相比较法测声速装置示意图相位比较法接线图第14页/共29页 示波器示波器CH1CH1和和CH2CH2分别接换能器发射端和接收端，示波器的分别接换能器发射端和接收端，示波器的“扫描信号周期扫描信号周期”选择选择“X-YX-Y”档，当改变换能器之间的距离时档，当改变换能器之间的距离时相位比较法信号输出两个同斜率直线所对应的换能器间距为一个波长两个同斜率直线所对应的换能器间距为一个波长 。第15页/共29页两路电信号的合成李萨如图形 当两路信号同时输入示波器时，荧光屏上将显示当两路信号同时输入示波器时，荧光屏上将显示两个同频率相互垂直的简谐振动的叠加图两个同频率相互垂直的简谐振动的叠加图李李萨如图萨如图两路信号相位差为两路信号相位差为/4/4。两路信号相位差为两路信号相位差为0 0或或2 2整数倍整数倍 。第16页/共29页相位比较法数据处理（1）记录半波长数据李萨如图形接受头位置101112卡尺读数（cm）接收头位置接收头位置(cm)（cm）（cm）（cm）（）使用逐差法处理数据第17页/共29页2）共振干涉法 共振干涉法也称驻波法。发射器发出的声波近似于共振干涉法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射平面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射,并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处于波腹，此时产生的电信号最强。声压是处于波腹，此时产生的电信号最强。返返第18页/共29页共振干涉法接线图共振干涉法测声速装置示意图第19页/共29页 将压电陶瓷换能器的接收端接入示波器的将压电陶瓷换能器的接收端接入示波器的CH1CH1CH2CH2通道，通道，当改变换能器之间的距离时当改变换能器之间的距离时共振干涉法信号输出第20页/共29页共振干涉法数据处理参照相位比较法自拟参照相位比较法自拟第21页/共29页五、实验仪器 本本实实验验使使用用的的仪仪器器主主要要有有：声声速速测测量量仪仪、信信号号发生器和示波器。发生器和示波器。声声速速测测量量仪仪由由压压电电陶陶瓷瓷换换能能器器（声声压压与与电电压压之之间间的的转转换换）、带带有有标标尺尺的的底底座座和和读读数数装装置置（波波长长的的测量）组成；测量）组成；信号发生器信号发生器用来产生超声波；用来产生超声波；示波器示波器用来观察超声波的振幅、相位和频率。用来观察超声波的振幅、相位和频率。第22页/共29页超声声速测量仪使用超声声速测量仪进行测量时注意避免空程差使用超声声速测量仪进行测量时注意避免空程差.第23页/共29页示波器面板 开关开关图形水平调节图形水平调节图形垂直调节图形垂直调节图形垂直调节图形垂直调节亮度亮度聚焦聚焦第24页/共29页INPUT输入调至AC/DCINPUT输入调至AC/DC触发MODE选择AUTO调节“触发电平”使信号波形稳定“扫描信号周期扫描信号周期”“X-Y”档档CH1信号信号振幅调节振幅调节CH2信号信号振幅调节振幅调节开关开关示波器面板 第25页/共29页信号发生器频率范围选择信号输出频率微调开关第26页/共29页1 1在共振法中，示波器不能显示接收换能器的输在共振法中，示波器不能显示接收换能器的输出波形，但连线无误，仪器和导线无故障，你估计出波形，但连线无误，仪器和导线无故障，你估计有哪些原因造成？应当如何处理？有哪些原因造成？应当如何处理？2 2在各种不同的介质中声速是否相同？请设计一在各种不同的介质中声速是否相同？请设计一个方案测量超声波在水、油或其他液体中的声速个方案测量超声波在水、油或其他液体中的声速.六、思 考 题 第27页/共29页 谢 谢物理教学实验中心第28页/共29页感谢您的观看。感谢您的观看。第29页/共29页