实验三声速的测量幻灯片.ppt

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1、实验三 声速的测量1第1页，共23页，编辑于2022年，星期五【实验目的实验目的】o1.学会用学会用共振干涉共振干涉法、相法、相位比较法和时差法测量声位比较法和时差法测量声速，速，并加深对共振、振动合并加深对共振、振动合成波的干涉等理论知识的理成波的干涉等理论知识的理解。解。o2.进一步掌握示波器和低进一步掌握示波器和低频信号发生器的使用。频信号发生器的使用。Experimental purposeoLearn how to measure speed of sound using resonant interference,phase comparison and time differen

2、ce,and comprehend elements-resonance,vibration composing，wave interference,etc better.oCommand the use of oscilloscopes and low frequency signal generators in practice.2第2页，共23页，编辑于2022年，星期五【实验仪器实验仪器】o超声声速测定仪超声声速测定仪o声速测定仪信号源声速测定仪信号源o双通道通用示波器等。双通道通用示波器等。Experimental apparatusoSpeed of ultrasonic meas

3、urers speed of soundmeasurers osignal sourceooscilloscopes with bidirectional channels,etc3第3页，共23页，编辑于2022年，星期五【实验原理实验原理】Experimental principleo在波的传播过程中波速在波的传播过程中波速v、波长、波长 与频率与频率f 之间存在着之间存在着 的关系，若能同时测定媒质中声波传播的频率及波长，即可求得此的关系，若能同时测定媒质中声波传播的频率及波长，即可求得此种媒质中声波的传播速度种媒质中声波的传播速度v。o测量声速也可以利用测量声速也可以利用 v=L/t，

4、其中其中L为声波传播的路程，为声波传播的路程，t 为声波传播的时间。为声波传播的时间。o通过测量通过测量 v 还可了解被测媒质特性或状态的变化，这在工业生产及科学实验上有还可了解被测媒质特性或状态的变化，这在工业生产及科学实验上有广泛的实用意义。广泛的实用意义。4第4页，共23页，编辑于2022年，星期五1.超声波的产生和接收超声波的产生和接收o发射和接收超声波的器件：发射和接收超声波的器件：压电陶瓷。压电陶瓷。o压电陶瓷具有正压电效应和逆压电压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应。效应。o在在发发射射压压电电陶陶瓷瓷上上加加交交变变电电压压，则则产产生生纵纵向向机机械械振振动动，产产生生超超声声

5、波波（逆逆压压电电效效应应）.o接接收收压压电电陶陶瓷瓷接接收收到到超超声声波波后后，产产生生电电信信号。（正号。（正压电效应）压电效应）.固定超声波发射头可移动超声波接收头底座标尺 刻度 鼓轮 声速测量仪图电电 声声声声 电电5第5页，共23页，编辑于2022年，星期五o压电陶瓷有一个压电陶瓷有一个谐振频率谐振频率f0（如（如40KHz40KHz）当输入电信号的频率等于谐振频率）当输入电信号的频率等于谐振频率f0时，压电陶瓷产生振动或信号最大时，压电陶瓷产生振动或信号最大。o超声波单色性好，方向性强，波长较短，故用超声波作声源，声速测超声波单色性好，方向性强，波长较短，故用超声波作声源，声速

6、测量精确度较高。量精确度较高。2.声速原理声速原理 V=f o声源振动频率声源振动频率 f：直接由函数发生器读出：直接由函数发生器读出.o声波波长声波波长：驻驻波振幅极值法和相位比较法测量波振幅极值法和相位比较法测量.6第6页，共23页，编辑于2022年，星期五1、共振干涉（驻波、共振干涉（驻波Standing Wave）法测声速）法测声速 oS1作为超声源源（发射头），低频信号发生器输出的正弦交变电压信号接到作为超声源源（发射头），低频信号发生器输出的正弦交变电压信号接到换能器换能器S1上，使上，使S1发出一列平面波。发出一列平面波。oS2作为超声波接收头，把接收到的声压转换成交变的正弦电压

7、信号后，输入作为超声波接收头，把接收到的声压转换成交变的正弦电压信号后，输入示波器观察。示波器观察。o当当S1和和S2之间的距离之间的距离 L 满足下式：满足下式：L=n /2（n=1、2.）时，）时，形成驻波。形成驻波。图4-3-1 实验装置接线图实验装置接线图实验装置接线图图中图中S1和和S2为压电为压电陶瓷超声换能器陶瓷超声换能器y地x信号发生器地声速测量仪S1S2l7第7页，共23页，编辑于2022年，星期五o这样，这样，S2在接收超声波的同时还在接收超声波的同时还反射一部分超声波。由反射一部分超声波。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和和S2之

8、间产生定域干涉，而形成驻波。之间产生定域干涉，而形成驻波。L 声压驻波分布声压波节波节波腹 产生驻波的条件产生驻波的条件8第8页，共23页，编辑于2022年，星期五o对某一特定波长，将相继出现一系列共振态，任意两个相邻的共振态之间，对某一特定波长，将相继出现一系列共振态，任意两个相邻的共振态之间，S2的位的位移为：移为：o所以当所以当S1和和S2之间的距离之间的距离 L 连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期性变化，相当于性变化，相当于S1和和S2之间的距离改变了之间的距离改变了 。此距离。此距离 可由游标卡尺测得，频率由信号发生器读得。可由游标卡尺测

9、得，频率由信号发生器读得。根据波速公式：根据波速公式：可以求得声速。可以求得声速。9第9页，共23页，编辑于2022年，星期五2.相位比较法相位比较法 Phase comparisono如图所示，置示波器功能于如图所示，置示波器功能于XY方式。方式。当当S1发出的平面超声波通过媒质到达接发出的平面超声波通过媒质到达接收器收器S2时，在发射波和接受波之间产生位时，在发射波和接受波之间产生位相差：相差：o 当当L=n（n=1、2）时时，=2n，波波在在S1、S2同同相相；而而当当L=(n-1/2)时时，=(2n-1)，波波在在S1、S2相相位位相相反反，由此测量波长。由此测量波长。相位差与李萨如图

10、=5/4=2=3/2=7/4=3/4=0=/2=/410第10页，共23页，编辑于2022年，星期五o改变改变S1和和S2之间的距离之间的距离L，相当于改变了发射波和接受波之间的位相差，荧光屏上，相当于改变了发射波和接受波之间的位相差，荧光屏上的图形也随的图形也随L不断变化。不断变化。o当当S1、S2之间距离改变半个波长之间距离改变半个波长 则则 。随着振动的位相差。随着振动的位相差从从 的变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜的变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。率为负的直线。o因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线，测得了波长因此，每移

11、动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线，测得了波长和频率，根据和频率，根据 式可计算出室温下声波在媒质中传播的速度。式可计算出室温下声波在媒质中传播的速度。相位差与李萨如图=5/4=2=3/2=7/4=3/4=0=/2=/411第11页，共23页，编辑于2022年，星期五3.时差法时差法Time differenceo设以脉冲调制信号激励发射换能器，产生的声波在介质中传播，经过设以脉冲调制信号激励发射换能器，产生的声波在介质中传播，经过t时间后，到达时间后，到达 L 距离处距离处的接收换能器。的接收换能器。o可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度：可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度

12、：图4-3-2 发射与接收波形图12第12页，共23页，编辑于2022年，星期五【实验内容实验内容】Experimental content1、声速测试仪系统的连接与调试、声速测试仪系统的连接与调试o通电后预热通电后预热15min.，信号源自动工作在连续波方式，信号源自动工作在连续波方式o声速测试仪和信号源及双通道示波器之间的连接如图所示。声速测试仪和信号源及双通道示波器之间的连接如图所示。图4-3-1 实验装置接线图13第13页，共23页，编辑于2022年，星期五2、测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点、测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点（1）超声换能器工作状态的调节）超声换能器工作状态的调节

13、o在在100mV500mV之间调节声速测试仪信号源输出电压，之间调节声速测试仪信号源输出电压，o在在2545kHz之间调节信号频率，之间调节信号频率，o通过示波器观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处通过示波器观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.537.5kHz之间）电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示之间）电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点，记录频率相匹配的频率点，记录频率 f。14第14页，共23页，编辑于2022年，星期五（2）改变）改变S1和和S2之间的距离之

14、间的距离 选择示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置，选择示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置，再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，共测共测5次，将数据填入表次，将数据填入表1并求平均值。并求平均值。15第15页，共23页，编辑于2022年，星期五3.共振干涉法（驻波法）测量波长共振干涉法（驻波法）测量波长(1)将信号源测试方法设置到连续波方式，将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为设定最佳工作频率为 。(2)将示波器调到合适的工作方式将示波器调到合适的工作方式,观察示波器，找到接收波形的最大值。观察示波器，找到接

15、收波形的最大值。o转动声速仪距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化转动声速仪距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化,记录幅度为最大时的记录幅度为最大时的距离距离Li；再向前或者向后沿一个方向移动接收器的位置，当接收波形幅度；再向前或者向后沿一个方向移动接收器的位置，当接收波形幅度由大变小，再由小变大，且达到最大时，记录此时的距离由大变小，再由小变大，且达到最大时，记录此时的距离 Li1.o波长波长 。o接收器的位置由主尺刻度、手轮的位置决定。手轮与丝杆相连上分为接收器的位置由主尺刻度、手轮的位置决定。手轮与丝杆相连上分为100分格，分格，每转一周，接收器平移每转一周，接收器平移1mm，故手每一

16、小格为，故手每一小格为0.01mm，可估到可估到0.001mm。16第16页，共23页，编辑于2022年，星期五（3）连续移动接收器的位置，观测示波器相继出现的极大值，依次在表）连续移动接收器的位置，观测示波器相继出现的极大值，依次在表2中记录游中记录游标尺的相应值，用逐差法处理数据。标尺的相应值，用逐差法处理数据。（4）根据）根据 求出声速。求出声速。17第17页，共23页，编辑于2022年，星期五o测量方案及实施示意图测量方案及实施示意图18第18页，共23页，编辑于2022年，星期五4.相位比较法（李萨如图形）测量波长相位比较法（李萨如图形）测量波长（1）将信号源测试方法设置到连续波方式

17、，）将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为设定最佳工作频率为 。（2）首先，置示波器于双踪显示功能，首先，置示波器于双踪显示功能，观察发射和接收信号波形，转动距离观察发射和接收信号波形，转动距离调节鼓轮，至接收信号幅度达最大值时的位置。调节示波器调节鼓轮，至接收信号幅度达最大值时的位置。调节示波器CH1、CH2衰减灵敏度旋钮、信号源发射强度、接收增益，令两波形幅度几乎相等，观衰减灵敏度旋钮、信号源发射强度、接收增益，令两波形幅度几乎相等，观察两波形曲线间的关系。察两波形曲线间的关系。（3）然后，置示波器于然后，置示波器于XY功能方式功能方式，这时观察到的李萨如图形为一斜线，否则可

18、，这时观察到的李萨如图形为一斜线，否则可微调声速仪的鼓轮实施之，记录下此时的距离微调声速仪的鼓轮实施之，记录下此时的距离Li。19第19页，共23页，编辑于2022年，星期五（4）单向转动调节鼓轮，改变换能器之间的距离。当移动一个波长时，观察到波形又返回前面所）单向转动调节鼓轮，改变换能器之间的距离。当移动一个波长时，观察到波形又返回前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器S2的振动波形发生了的振动波形发生了2相移相移，记录此时的，记录此时的距离距离 Li1。即：波长即：波长 。（5）多次测定，依次在表）多次测定，依次在表3中记录游标尺的相应值，并用逐

19、差法处理数据。中记录游标尺的相应值，并用逐差法处理数据。（6）根据）根据 求出声速。求出声速。相位差与李萨如图=5/4=2=3/2=7/4=3/4=0=/2=/420第20页，共23页，编辑于2022年，星期五5.时差法测量声速时差法测量声速（1）设置信号源测试方法为脉冲波方式，将声速仪设置信号源测试方法为脉冲波方式，将声速仪S1和和S2之间距离调至之间距离调至50mm。（2）调节示波器接收增益，使显示的接收波信号幅度在调节示波器接收增益，使显示的接收波信号幅度在300400mV左右（峰左右（峰峰峰值），再调定时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值），再调定时器工作在最佳状态。然后记录此时的

20、距离 Li 和时间值和时间值 ti（时间由（时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出或由示波器测出）。声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出或由示波器测出）。（3）移动）移动S2，同时调节示波器接收增益使接收信号幅度始终保持一致。记录这时，同时调节示波器接收增益使接收信号幅度始终保持一致。记录这时的距离值的距离值Li1和显示的时间值和显示的时间值ti1。21第21页，共23页，编辑于2022年，星期五（4）多次测定，依次在表）多次测定，依次在表4中记录游标尺的相应值，中记录游标尺的相应值，用逐差法处理数据，计算声速用逐差法处理数据，计算声速 。图4-3-2 发射与接收波形图22第22页，共23页，编辑于2022年，星期五附：声速测量值与公认值比较附：声速测量值与公认值比较o声波在理想气体中的传播过程，可以认为是绝热过程声波在理想气体中的传播过程，可以认为是绝热过程.o若同时考虑大气压和空气中水蒸气的影响，声速可表示为：若同时考虑大气压和空气中水蒸气的影响，声速可表示为：式中，00C时时的的声声速速V0=331.45 m/s。P为为大大气气压压；PW为为空空气气中中水水蒸蒸汽汽的的分分压压强强，它它等等于测量温度（于测量温度（t）下水蒸汽的饱和蒸汽压）下水蒸汽的饱和蒸汽压e乘以相对湿度乘以相对湿度H，即，即 PW=e H。23第23页，共23页，编辑于2022年，星期五