超声声速的测定.ppt

超声声速仪 测声速 1、压电换能器的工作原理压电换能器的工作原理2、共振干涉法和相位比较法测声速的原理、共振干涉法和相位比较法测声速的原理3、示波器的调整与使用、示波器的调整与使用4、逐差法处理数据的方法、逐差法处理数据的方法5、设计待测量的数据记录表格、设计待测量的数据记录表格一、预一、预 习习 提提 要要1、了解超声压电换能器的结构和工作原理；、了解超声压电换能器的结构和工作原理；2、熟悉示波器和低频信号发生器的使用；熟悉示波器和低频信号发生器的使用；3、用共振干涉法和相位比较法测量空气中的、用共振干涉法和相位比较法测量空气中的 声速。声速。4、学会用逐差法处理数据，并对结果的不确、学会用逐差法处理数据，并对结果的不确定度进行分析。定度进行分析。二、实验要求与目的二、实验要求与目的三、声波的基本知识三、声波的基本知识 1、横波与纵波；超声波；、横波与纵波；超声波；声声波波是是一一种种机机械械波波。频频率率超超过过20KHz的的声声波波称称为为超超声声波波。声声波波的的频频率率、波波长长、速速度度、相相位等是声波的重要特性。位等是声波的重要特性。2 2、理想气体中的声速值、理想气体中的声速值 -绝热系数，绝热系数，R-摩尔气体常数，摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质空气分子的摩尔质量，量，T-绝对温度绝对温度三、声波的基本知识三、声波的基本知识由此可见，气体中的声速由此可见，气体中的声速 v v 和温度和温度 T T 有关，有关，还与比热比还与比热比及及摩尔质量摩尔质量有关，后两个因素有关，后两个因素与气体成分有关。与气体成分有关。在标准状态下，在标准状态下，时，声速时，声速 显然在显然在 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 由此可见，在极地和赤道，在冬天和夏天，声音的传播速度是不同的。声波在生活和科技中的应用声波在生活和科技中的应用 1、地震预报（利用地震波中纵波与横波波速、地震预报（利用地震波中纵波与横波波速的不同）；的不同）；2、医学应用：、医学应用：B超与彩超（利用人体不同结构超与彩超（利用人体不同结构中声速的不同）；中声速的不同）；3、无损检测（利用两种不同介质表面对声波、无损检测（利用两种不同介质表面对声波的反射）；的反射）；4、海洋应用（声呐）：鱼群探测，海底地貌，、海洋应用（声呐）：鱼群探测，海底地貌，军舰与潜艇导航；军舰与潜艇导航；超声声速测定仪超声声速测定仪发射换能器发射换能器接收换能器接收换能器信号发生器信号发生器频率计频率计示波器示波器YS2S1 共振干涉法实验装置共振干涉法实验装置四、实四、实 验验 装装 置置 相位比较法实验装置相位比较法实验装置（相位比较法只需将信号发生器输出的信号加在示波器的（相位比较法只需将信号发生器输出的信号加在示波器的X端）端）四、实四、实 验验 装装 置置开关显示屏显示屏第二通道第一通道一通道一通道增益调节增益调节二通道二通道增益调节增益调节时基扫描时基扫描 聚焦辉度示示波波器器频率调节频率范围选择信号输出波形选择开关信号发生器信号发生器声速测量仪声速测量仪超声声速测定仪由两只相同的压电陶瓷换能器组成，分别用于超声波的发射和接收。五、实五、实 验验 原原 理理（一）、超声声速测定仪的工作原理（一）、超声声速测定仪的工作原理 1、超声波的发射原理（逆压电效应）；、超声波的发射原理（逆压电效应）；首先在发射端加一个正弦信号，压电陶瓷会发生周期首先在发射端加一个正弦信号，压电陶瓷会发生周期性伸长缩短，这个振动被传递给变幅杆，当传到端面上时，性伸长缩短，这个振动被传递给变幅杆，当传到端面上时，就在空气中激发出超声波。就在空气中激发出超声波。2、超声波的接收原理（正压电效应）、超声波的接收原理（正压电效应）接受端的压电陶瓷将接收到的声振动转化为电信号接受端的压电陶瓷将接收到的声振动转化为电信号 3、压电陶瓷换能器的谐振频率、压电陶瓷换能器的谐振频率f0五、实五、实 验验 原原 理理（二）、声速的测量原理（二）、声速的测量原理 五、实五、实 验验 原原 理理（二）、声速的测量原理（二）、声速的测量原理 1.相位比较法相位比较法设：声波频率为设：声波频率为f,空间任一接收点和发射点的相位差为空间任一接收点和发射点的相位差为同相点：同相点：反相点：反相点：相邻同相点和反相点：相邻同相点和反相点：五、实五、实 验验 原原 理理（二）、声速的测量原理（二）、声速的测量原理 结论：若记下李萨茹图形为相同直线时接收器所处位置，则每两个相邻点之间的距离就是 位移波位移波S2S1声压波声压波1、共振干涉法（驻波法）共振干涉法（驻波法）结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为 1、共振干涉法（驻波法）共振干涉法（驻波法）s1和和s2为压电陶瓷超声换能器，为压电陶瓷超声换能器，s1作为超声源（发射头），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信号源发出的正弦电压信号接到换能器s1后，即能发出一后，即能发出一平面声波。平面声波。s2作为超声波的接收头，接收的声压转换成电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，信号后输入示波器观察，s2在接收超声波的同时还反射一在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样，由部分超声波。这样，由s1发出的超声波和由发出的超声波和由s2反射的超声反射的超声波在波在s1、s2之间的区域干涉而形成驻波。改变之间的区域干涉而形成驻波。改变s1、s2之间之间的距离，在一系列特定的位置上，接收面的距离，在一系列特定的位置上，接收面s2上的声压达到上的声压达到极大值，移动接收器，会发现接收信号振幅从大到小出现极大值，移动接收器，会发现接收信号振幅从大到小出现周期性变化，测出接收信号极大时，接收器的位置周期性变化，测出接收信号极大时，接收器的位置L1,L2L3,-每两相邻点之间距离就是每两相邻点之间距离就是1)按实验装置图接线，使发射头和接收头的端面尽按实验装置图接线，使发射头和接收头的端面尽量平行；量平行；2)共振频率，调整函数发生器的输出频率，使接收共振频率，调整函数发生器的输出频率，使接收头输出的电信号幅度最大；头输出的电信号幅度最大；3)相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现10个相同直线形时所对应的接收头的坐标。个相同直线形时所对应的接收头的坐标。六、实六、实 验验 内内 容容 七、数据记录与处理七、数据记录与处理LiL1L2L3L4L5sLi+5L6L7L8L9L10s单位：mm六、数据记录及处理六、数据记录及处理八、注意事项八、注意事项 1.为保证性能稳定，应预热为保证性能稳定，应预热10分钟后再使用。分钟后再使用。2.调节仪器旋钮要轻缓，以免损坏。调节仪器旋钮要轻缓，以免损坏。3.信号发射器的信号输出幅度不要过大，避信号发射器的信号输出幅度不要过大，避免仪器过热而损坏。免仪器过热而损坏。4.螺旋来回转动会产生螺距间隙偏差，测量时螺旋来回转动会产生螺距间隙偏差，测量时应朝一个方向转动超声测量仪测微螺旋。应朝一个方向转动超声测量仪测微螺旋。八、注意事项八、注意事项 5.实验中实验中S2的测量必须是连续进行的的测量必须是连续进行的,决决不可进行跳跃式测量。不可进行跳跃式测量。6.信号源电源开关打开后，信号源电源开关打开后，S1与与S2发射面发射面和接收面要保持相互平行并和接收面要保持相互平行并S1与与S2间距必间距必须大于须大于3cm，否则会损坏压电换能器，否则会损坏压电换能器。八、注意事项八、注意事项 7、实验时要使函数信号发生器的输出频、实验时要使函数信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率，并且在实验率等于换能器的谐振频率，并且在实验过程中保持不变。过程中保持不变。8、由于声波在空气中衰减较大，随着接、由于声波在空气中衰减较大，随着接收换能器与发射换能器之间距离的增大，收换能器与发射换能器之间距离的增大，接收到的信号幅度会很快变小。实验中接收到的信号幅度会很快变小。实验中必要时应调节示波器输入通道的灵敏度必要时应调节示波器输入通道的灵敏度调节旋钮。调节旋钮。九、思九、思 考考 题题 1.形成驻波的条件是什么？两压电换能器的形成驻波的条件是什么？两压电换能器的端面为什么要平行？端面为什么要平行？2.声速测量中共振干涉法、相位法、时差法声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？有何异同？3.为什么要在谐振频率条件下进行测量？如为什么要在谐振频率条件下进行测量？如何调节和判断测量系统是否处于谐振状态？何调节和判断测量系统是否处于谐振状态？4.相位比较法测量声速时，选择什么样的李相位比较法测量声速时，选择什么样的李萨如图形进行测量？为什么？萨如图形进行测量？为什么？谢谢 谢谢