声速测定论文讲义.doc

综合设计性实验 声速的测量研究 声速的测量研究 摘要:本文研究了声速测量的不同方法，包括：共振干涉法、相位比较法和时差法。文章首先对固体、液体和气体中声速测量做了大量实验，然后对数据进行了严格处理和误差分析，最后比较了各种方法的精确度，找出了他们定的优缺点， 得出了各种介质中最合适的声速测量方法，并且测出了空气、纯净水和树脂棒中的声速。 关键词: 声速测量 共振干涉法 相位比较法 时差法 引言 随着声速的迅速发展,检测声学的实际应用中也越来越广泛,在无损检测,探伤,流体测速,定位,测距等声学检测领域中声速的测量尤为重要.因此声速测量在物理实验中有着重要的地位,也有着广泛的应用.而空气中声速的测量作为经典的近代物理实验以其实际应用性和易于实现的特点,被许多高校作为基础物理实验.实验中一般利用压电陶瓷超声换能器组,示波器,低频信号发生器等,采用共振干涉法和相位比较法.但是在很多舰船上是用声纳来测量距离和方位,很多江湖水位自动记录仪也是用超声波来测量水位的变化,即利用测量脉冲发出和回波的时间差推算距离,测量原理两者相差较大,因此,在原来教学仪器的基础上进行了改正,增加了时差法测量声速,完善了教学与实际之间的衔接.本实验用多种方法进行声速的测定,并对这些方法,结果进行比较.总结了它们的优缺点,便于根据实际情况进行此类实验的选择,可为声速测量提供有益的借鉴. 一 实验仪器说明: ZKY---SS型声速测定实验仪 图1 超声声速测定装置由传动机构，数显标尺等组成。如图3.3所示，S1为发射换能器，S2为接收换能器，S1和S2之间为游标尺，游标尺上有数显位移传感器，X为接收换能器的位移。 实验装置简图 双踪示波器（YB4320B） 图2 二 实验原理: 声速的测量方法可以分为两类： 第一类方法是直接根据关系式v=s/t，测出传播距离s和所需时间t后即可算出声速，称为“时差法”，这是工程应用中常见的方法。 第二类方法是利用波长频率关系式,测v=fλ，量出频率f和波长来计算出声速，测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”,本实验用三种方法测量气体和液体中的声速。 （1）超声声速测定装置 该装置由换能器和游标卡尺及支架构成。换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成，压电陶瓷片是由具有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，它具有压电效应。在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力时再极化方向上产生一定的电场强度，它们之间有线型关系；反之，当极化方向一致的外加电压加在压电材料上时，材料的伸缩形变与电压也存在着线型关系，这样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，同样也可以将声压变化转变为电压的变化，用来接收声信号。 在压电陶瓷片的前后两端胶粘两块金属，组成夹心型板子。头部用轻金属做成喇叭形，尾部用重金属做成锥形或柱形，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影响前部轻金属做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。 换能器有一谐振频率f0，当外加声波信号的频率等于次频率时，陶瓷片将发生机械谐振，得到最强的电压信号，此时换能器具有最高的灵敏度；反过来，当输入的电压使换能器产生机械谐振时，作为波源将具有最强的发射功率。 （2）共振干涉法测声速 图4.1换能器 到达接收器的声波，一部分被接收并在接收器电极上有电压输出，一部分被向发射器方向反射。由声波传播理论可知，当两只换能器A、B平面端面间有声波传播而此换能器平面端间的距离又恰好等于其声波的二分之一波长的整数倍时（L=nλ/2），两平面端面间将形成声波驻波，在声波驻波中，波腹处声压最大，波节处声压最小。接收换能器B的反射界面处为波节，声压最小。所以可从接收换能器B端面声压的变化，亦即是B端输出电压的变化来判断声波驻波是否形成以及产生驻波的波腹和波节。拉动游标卡尺C，改变两只换能器端面间的距离，同时用仪器检测B的输出电压幅度变化。记录下相邻两次出现最大电压数值时游标卡尺的读书。两读数之差的绝对值应等于其声波波长的二分之一。已知声波频率并测出波长，即可计算声速。实际测量中为了提高测量精度，可连续多次测量并用逐差法处理数据。 图4.2声压随波长的变化 （3）相位比较法测声速 当发生器与接收器之间距离为L时，在发射器驱动正线信号与接收器接收到的正弦信号之间将有相位差。若将发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号为别接到示波器