超声声速仪测声速优秀PPT.ppt

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1、超声声速仪测声速现在学习的是第1页，共42页有关声波研究的应用和发展有关声波研究的应用和发展1、声音与我们的生活、声音与我们的生活2、声速测量的目的、声速测量的目的 3、声速测量的发展、声速测量的发展现在学习的是第2页，共42页1、声音与我们的生活、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，海祷乐声，飞机掠过长空时扰人的噪声，狂风的呼啸声，海祷 的怒的怒吼声，爽朗的欢笑声，欢畅的交谈声，吼声，爽朗的欢笑声，欢畅的交谈声，等等，在日常生等等，在日常生 活活中处处都可以听到。可

2、见声音与我们的生活是密切相关的。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年埃及人毕达年埃及人毕达 哥拉斯。哥拉斯。而古希腊人亚里士多德接触到声学理论，他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。管的长度加倍，则管内的振动就要花两倍的时间。现在学习的是第3页，共42页 今天人们对声音的研究，从语音声学、生理声学、今天人们对声音的研究，从语音声学、生理

3、声学、建筑声学、环境声学、水声学、超声学等等，遍及各个建筑声学、环境声学、水声学、超声学等等，遍及各个领域。领域。牛顿在他的牛顿在他的原理原理中对声速作了理论推导，但实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由拉普拉斯(17491827)(17491827)做的。做的。牛顿没有考虑到由于压缩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。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

4、指的是频率在特别值得一提的是次声波，次声波指的是频率在0.00010.0001赫兹至赫兹至20赫兹之间的波。虽然我们的耳朵听不见赫兹之间的波。虽然我们的耳朵听不见它，它，在我们周围由自然和人工产在我们周围由自然和人工产生的次声波也很多。生的次声波也很多。现在学习的是第4页，共42页如火山爆发、地震、流星爆炸、极光、雷电、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、离层扰动、核爆炸、火箭发射、大炮、化学爆炸、飞机、火车、高速行驶中的汽车、某些大型工厂、飞机、火车、高速行

5、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高楼、风吹过高山等等，都会在一定的条件产生次声波。声波。虽然早在上百年前就首次记录到了次声波，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次声现象及次声传播规律的认识才有了较大提高 现在学习的是第5页，共42页 它的应用前景是很广阔的，大致可分为下列几个方面：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

6、害性事件；通过测定次声波受大气其他波动的影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响结果；探测气象运动的性质和规律；生物学以及核爆炸、；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。火箭发射的影响等。现在学习的是第6页，共42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手段。通过必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。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声学测量通常是指先用电声(或机电或机电)换能器把声波换能器

7、把声波(或振动或振动)转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测量与分析的技术以及有关声学仪器的工作原理 现在学习的是第7页，共42页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，小的范围和动态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响非线性畸变和良好的瞬态响 应等。应等。过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪过去，测量声波和

8、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。测量时读数的准确度。由于计算技术和高质量、低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微计算机实时运算。算的声学测量和分析工作可以用微计算机实时运算。现在学习的是第8页，共42

9、页 以微处理机为中心的测量仪器，不但实现了小型化、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，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。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，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。使用自动化数字式仪器

10、，以提高测量的淮确度和速度。现在学习的是第9页，共42页 回顾历史，可以看到，在发展经典声学的回顾历史，可以看到，在发展经典声学的 过程中，许过程中，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。量仪器。高性能的测量传声器、频谱分祈仪和声级记高性能的测量传声器、频谱分祈仪和声级记 录器实现了声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；从而信号的声压级测量，频谱分析和声情号特性的自动记录；从而可以测量各种不

11、同频率、不同强度和波形的声波，扩展了声学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应用，必将促使近代声学进一步发展 现在学习的是第10页，共42页 实实 验验 目目 的的 1、学习用共振干涉法和相位比较法测定空气、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、波的中的声速。加深对共振、振动合成、波的 干涉等理论干涉

12、等理论2、了解压电换能器的功能及超声波、了解压电换能器的功能及超声波 的产生、发射、传播和接受原的产生、发射、传播和接受原 理理3、熟悉低频信号函数发生器、模拟、熟悉低频信号函数发生器、模拟 示波器的使用使用方法。示波器的使用使用方法。现在学习的是第11页，共42页三、声速的测量原理三、声速的测量原理 1.1.振幅法振幅法 一、声速的特点一、声速的特点二、实验原理二、实验原理2.2.相位法相位法 现在学习的是第12页，共42页四、实验仪器四、实验仪器五、实验内容五、实验内容1.1.声速测量仪声速测量仪2.2.压电传感器压电传感器3.3.模拟示波器模拟示波器4.4.函数信号信号发生器函数信号信号

13、发生器六、数据处理六、数据处理现在学习的是第13页，共42页一、声速的特点一、声速的特点 频频率率在在2020000Hz的的声声振振动动在在弹弹性性媒媒质质中中所所激激起起的的纵纵波波称称声声波波。声声波波是是一一种种机机械械波波。频频率率超超过过20000Hz的的声声波波称称为超声波。声波的频率、波长、速度、相位等是声波的重要特性。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，因此有空气本身的性质，因此有-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

14、摩尔质量，空气分子的摩尔质量，T-绝对温度绝对温度现在学习的是第14页，共42页 由由此此可可见见，气气体体中中的的声声速速 v 和和温温度度 T 有有关关，还还与与比比热热比比 及及摩摩尔尔质质量量 有有关关，后后两两个个因因素素与与气气体体成成分分有有关关。因因此此，根根据据测测定定出的声速还可以推算出气体的一些参量。出的声速还可以推算出气体的一些参量。在在标标准准状状态态下下，0 oC时时，声声速速为为 vo331.45ms，显显然然在在 t oC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不由此我们也可以想象，在极地和赤

15、道声音传播的速度是不同的同的。现在学习的是第15页，共42页二、实验原理二、实验原理 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、振振动动频频率率 f 和和波波长长 之之间间的的基本关系，即基本关系，即 v=f 测出声振动频率测出声振动频率 f 和声波的波长和声波的波长，就可算出声波的波速，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。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、实验室中常利用，用共振干涉法、相位法相位法比较法测定波长比较法测定波长，由函数发生器或示波

16、器直接读出频率，由函数发生器或示波器直接读出频率 f。现在学习的是第16页，共42页1.1.共振干涉法共振干涉法 三、测量原理三、测量原理 位移S2S1声压现在学习的是第17页，共42页 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（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。后，即能发出一平面声波。s2作为超声波的接收头，接收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，的声压转换成电信号后输入示波器观察，s2在接收超声在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样，由波的

17、同时还反射一部分超声波。这样，由s1发出的发出的超声波和由超声波和由s2反射的超声波在反射的超声波在s1、s2之间的区域干之间的区域干涉而形成驻波。改变涉而形成驻波。改变s1、s2之间的距离，在一系列特定之间的距离，在一系列特定的位置上，接收面的位置上，接收面s2上的声压达到极大值，可以证明：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相邻两极大值之间的距离为半波长。现在学习的是第18页，共42页 为了测出驻波相邻波腹或相邻波节之间的为了测出驻波相邻波腹或相邻波节之间的半波长距离，可改变半波长距离，可改变s1和和s2之间的距离，此时，之间的距离，此时，可以看到示波器上显示的信号

18、幅度发生周期性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。之间的距离改变了。s1、s2之间距离之间距离的改变由游标尺测得。由信号源可读出超声源的改变由游标尺测得。由信号源可读出超声源的频率的频率f，这样就可计算出声速，这样就可计算出声速v。现在学习的是第19页，共42页2.2.相位法相位法 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

19、，其其振振动动状状态态相相同同(同同相相:相相位位差差为为0)或或者者说说其其相相位位差差为为2的的整整数数倍倍时时两两点间的距离应等于波长点间的距离应等于波长的整数倍，即的整数倍，即 l=n (n为一正整数为一正整数)利用这个公式可测量波长。利用这个公式可测量波长。现在学习的是第20页，共42页相位法又可分为相位法又可分为行波法行波法和和李萨如图形法李萨如图形法。(1)行波法行波法 将将发发射射信信号号和和接接收收信信号号同同时时输输入入到到示示波波器器，此此时时示示波波器器上上同同時時显显示示的的发发送送和和接接收收电电信信号号。当当改改变变两两个个换换能能器器之之间间的的距距离离时时，发

20、发送送信信号号不不变变，而而接接收收电电信信号号（正正弦弦波波）的的幅幅值值和和位位置置均均发发生生变变化化，当当接接收收电电信信号号的的位位置置与与发发射射信信号号的的位位置置前前后后两两次次重重合合时时接接收器走过的距离，就是信号的波长。收器走过的距离，就是信号的波长。现在学习的是第21页，共42页(2)李萨如图法李萨如图法 从从s1发出的超声波通过媒质达到接收头发出的超声波通过媒质达到接收头s2，在发射，在发射波和接收波之间产生相位差，此相位差波和接收波之间产生相位差，此相位差和角频率和角频率（=2f）、传播时间）、传播时间、声速、声速v、距离、距离l、波长、波长之之间有下列关系：间有下

21、列关系：由上式可知，若要使相位差由上式可知，若要使相位差改变改变2，那么，那么，s1和和s2的间距的间距l就要相应地改变一个波长就要相应地改变一个波长。于是，。于是，根据相位差的根据相位差的2变化，便可以测量出波长来。声变化，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。波频率由信号源读出，根据上式便可算出声速。（现在学习的是第22页，共42页 我们可以通过示波器来观察相位差。互相垂直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。随个谐振动的频率相同，则

22、李萨如图形就很简单。随着两个振动的相位差从着两个振动的相位差从0变化，图形从斜率为变化，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量的起点。每移动一个波长的距离就会重复出现同样斜率。样斜率。现在学习的是第23页，共42页用李萨如图形观测相位的变化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距为一个波长两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长。现在学习的是第24页，共42页四、实验仪器 本本实

23、实验验使使用用的的仪仪器器主主要要有有：声声速速测量仪、测量仪、函数发生器和示波器。函数发生器和示波器。声声速速测测量量仪仪由由：超超声声压压电电陶陶瓷瓷换换能能器器、带带有有标标尺尺的的底底座座和和读读数数装装置置构构成成，用用来来作作声声压压与与电电压压之之间间的的转转换换，以以及及波长的测量。波长的测量。函数发生器函数发生器用来产生超声波；用来产生超声波；示示波波器器用用来来观观察察超超声声波波的的振振幅幅、相相位和频率。位和频率。现在学习的是第25页，共42页读数装置压电陶瓷换能器底座底座现在学习的是第26页，共42页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。本实验传

24、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。振动，同时电输出端产生相应的电信号。现在学习的是第27页，共42页 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、单色性好以及方向性强的转换。压电换能器做波源具平面性、单色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

25、它无干扰。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，波长频率提高，波长就短，在不长的距离中可测到许多个就短，在不长的距离中可测到许多个，取其，取其平均值，平均值，的测定较准确。这些都可使实验的精度大大提高。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。料做成的，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。现

26、在学习的是第28页，共42页 反之，当与极化方向一致的外加电压反之，当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的加在压电材料上时，材料的伸缩形变伸缩形变S与电压与电压U也有线性关系也有线性关系S=dU。比例常数。比例常数g、d称为压电称为压电常数，与材料性质有关。由于常数，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，成为声波的波源，同样也可以使声压变化转变为电压的变化，用缩，成为声波的波源，同样也可以使声压变化转变为电压的变化，用来接

27、收声信号。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时，在极化方向上产生一定的电场强度E，它们之间有一，它们之间有一简单的线性关系简单的线性关系E=gT；现在学习的是第29页，共42页 在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属，组成夹心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

28、振子与介质的耦心。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。用小），这样所发射的波方向性强，平面性好。现在学习的是第30页，共42页 传感器内部结构 压电陶瓷片电输入或输出端铝外壳现在学习的是第31页，共42页开关显示屏显示屏第二通道第一通道一通道放大、衰减一通道放大、衰减器器二通道放大、衰二通道放大、衰减器减器时基扫描时基扫描 聚焦辉度现在学习的是第32页，共42页现在学习

29、的是第33页，共42页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现在学习的是第34页，共42页五、实验内容五、实验内容2、利用共振驻波法测量声速、利用共振驻波法测量声速3、利用行波法测量声速、利用行波法测量声速4、利用李萨如图法测量声速、利用李萨如图法测量声速1、谐振频率的调整、谐振频率的调整现在学习的是第35页，共42页1 1、谐振频率的调整、谐振频率的调整改变信号发生器的频率时，看到改变信号发生器的频率时，看到现在学习的是第36页，共42页2 2、利用共振驻波法测量声速、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将换能器的接收端接入示波器的CH1通道，当改通道，当改变换能

30、器之间的距离时变换能器之间的距离时现在学习的是第37页，共42页3 3、利用行波法测量声速、利用行波法测量声速 保持刚才的接线，同时将发射波接入保持刚才的接线，同时将发射波接入CH2,选择触选择触发与发射波同步，当改变换能器之间的距离时发与发射波同步，当改变换能器之间的距离时现在学习的是第38页，共42页4 4、利用李萨如图法测量声速、利用李萨如图法测量声速 保持刚才的接线，水平显示选择保持刚才的接线，水平显示选择X-Y，当改变，当改变换能器之间的距离时换能器之间的距离时现在学习的是第39页，共42页【数据处理数据处理】1实验结果与理论值比较，计算相对误差。实验结果与理论值比较，计算相对误差。

31、大气中声速与温度、湿度机器呀等有密切关系，根据声大气中声速与温度、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学理论，一般条件下的校准声速为式中，式中，t为室温为室温 ，为大气压为大气压 (),为水蒸气分压为水蒸气分压 2用逐差法处理数据，计算波长值，求出声速实验用逐差法处理数据，计算波长值，求出声速实验 测量值测量值v，求出声速的绝对不确定度。，求出声速的绝对不确定度。3.分析误差产生的原因。分析误差产生的原因。现在学习的是第40页，共42页1简述共振干涉法、相位比较法测声速的原理、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。方法。画出实验电路图。2要在示波器屏上看到李萨如图形，应如要在示波器屏上看到李萨如图形，应如何调节示波器？何调节示波器？3用逐差法处理数据的优点是什么？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？面和接收面要保持平行？5.比较各种测量方法的优缺点比较各种测量方法的优缺点n 【思考题思考题】现在学习的是第41页，共42页 谢谢 谢谢太原理工大学物理实验中心现在学习的是第42页，共42页