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实验六 声速测定 【实验目的】 1．； λ和频率f之间存在着下列关系： v=fλ （6-1） 实验中可通过测定声波的波长λ和频率f来求得声速v。其中声波频率可通过测定声源的振动频率得出，剩下的任务就是测量声波波长，也就是本实验的主要任务。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 1．超声波的发射与接收——压电换能器 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λ就短，在不长的距离中可测到许多个λ，取其平均值，λ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。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E，它们之间有一简单的线性关系E=gT；反之，当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与电压U也有线性关系S=dU。比例常数g、d称为压电常数，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，用来接收声信号。 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。 2．共振干涉法 图6-1 声速测试架、信号源及示波器连线图 。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s1和s2之间的距离，此时，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。s1、s2之间距离的改变由游标尺测得。由信号源可读出超声源的频率f，这样就可计算出声速v。 图-2 3．相位比较法 实验装置如图6-2所示。从s1发出的超声波通过媒质达到接收头s2，在发射波和接收波之间产生相位差，此相位差φ和角频率ω（ω=2πf）、传播时间τ、声速、距离、波长λ （6-2） 由上式可知，若要使相位差φ改变2π，那么，s1和s2的间距l就要相应地改变一个波长λ 。于是，根据相位差的2π变化，便可以测量出波长来。声波频率由信号源读出，根据式（6-1）便可算出声速。 （） 图6-3 用李萨如图形观测相位的变化 π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样斜率的直线。见图6-3。 4．时差法测声速 在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度v=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间，从而计算出声波的传播速度。 连续波由控制电路调制后定时发出一个声脉冲，由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。接收到的信号经放大、滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出声波在某一介质中的传播速度。因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响可以忽略不计，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。 通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t，就可以计算出当前介质下的声波传播速度。 图6-4 发射波与接收波 图6-5 SV-DH-5A型声速测试仪外形图 图6-6 SVX-5声速测试仪信号源面板 ⑴ 接线与仪器的初步调节 1）按图6-1接好线路，打开电源开关预热15分钟，仪器自动工作在连续波方式。选择的介质为空气的初始状态。 2）根据测量要求初步调节好示波器（参照示波器的使用调节）。 ⑵ 谐振频率的调节（超声波频率f的确定） 将信号源输出的正弦波信号频率调节到换能器的谐