4.9 声速测量_修订第二版.pdf

实验4.9 声速测量 [前言] 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。声波的波长，频率，强度和传播速度是声波的重要性质，对声波特 性的测量是声学技术的重要内容。测量声速最简单的方法是利用声速 与振动频率 和波长 之间的关系 V f  （ ）求出。本实验主要介绍了两种测量超声波在空气中的传播速度的方法。超声波是频率为 2× V f  4 9 10~ 10Hz 的机械波，它具有波长短，能定向传播的优点。在超声波测距，定位测液体流速，测材料弹性摸量， 测气体温度瞬间变化等方面的应用中，超声波传播速度都具有重要的意义。 [实验目的] （1）用驻波法和行波法测量声波在空气中的传播速度。 （2 ）了解超声波产生和接收的原理。 [实验仪器] SW-1 声速测量仪；XD1022 低频信号发声器；TDS1002 数字存储示波器。 [预习提示] （1）熟悉仪器的调节方法和步骤。 （2 ）将需要测量的物理量列出（如温度，频率，波节位置等）。 （3 ）把实验表格设计好（按测量4 个波节位置设计，每个波节位置测量五次）。 [实验原理] 一、超声波产生和接收的原理 图4.4.9-1 压电陶瓷换能器 （a ）外型图 （b ）电路符号 （c ）内部结构 本实验是利用压电陶瓷换能器完成声压和电压之间的转换，从而实现对超声波在空气中的传播速度这一非 电量的电测。实验所用超声波声速测量仪的主要器件为产生和接收超声波的传感器。它的外型及内部结构如图 4.9-1 所示。它是由压电陶瓷晶片，锥型辐射喇叭，底座，引线，金属外壳及金属网构成。其中压电陶瓷晶片是 传感器的核心，它是利用压电体的逆压电效应产生超声波，即在交变电压作用下，压电体产生机械振动，从而 在空气中激发出声波；利用压电体的压电效应来接收超声波。锥型辐射喇叭使发射和接收超声波的能量比较集 中，使发射和接收超声波有一定的方向角。本实验使用的压电陶瓷晶片的振荡频率约为40kHz （具体参数参见 仪器上的标识，或在实验中具体测定。），相应的超声波波长约为几毫米。实验中我们将正弦电压信号的频率调 到40kHz 左右时，传感器发生共振，输出的超声波能量最大。超声波接收器和超声波发射器用的是同一种超声 91 波传感器，只是两种压电晶片的性能有所差别，接收型压电晶片将机械能转变为电能的效率高，而发射型压电 晶片则相反，其电能转变为机械能的效率高。 二、声速测量原理 声速 与波长 和频率 之间有以下关系： ，若测得声波的波长和频率，即可测定声速。 V  f V f  （1）驻波法（共振干涉法） 图4.9-2 驻波法测波长实验装置示意图 实验装置如图 4.9-2 所示，发声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 并且叠加。 2x 设前进波为： y 1 A cos(t  ) （4.9-1）  其中 为波幅， 为圆频率， 为波长。 A   2x 设反射波为： y 2 A cos(t  ) （4.9-2）  2x 则合成波为： y y 1 y 2 2A cos cos