2025年声速测量实验报告--精确度分析与结果探讨.doc

物理试验汇报

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试验曰期：试验教室：5107指导教师：

【试验名称】超声波声速的测量

【试验目的】1、理解声速的测量原理

2、学习示波器的原理与使用

3、学习用逐差法处理数据

三、【仪器用品】1、SV-DH-3型声速测定仪段（资产编号）

2、双踪示波器（资产编号）

3、SVX-3型声速测定信号源（资产编号）

四、【仪器用品】

1.超声波与压电陶瓷换能器

频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz称為超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波長短，易于定向发射等長处，声速试验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作為声波的发射器、接受器效果最佳。

图1纵向换能器的构造简图

压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分為纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学试验中所用的大多数采用纵向换能器。图1為纵向换能器的构造简图。

2.共振干涉法（驻波法）测量声速

假设在无限声场中，仅有一种点声源S1（发射换能器）和一种接受平面（接受换能器S2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一种反射面（既接受换能器平面），并且只产生一次反射。

在上述假设条件下，发射波ξ1=Acos（ωt+2πx/λ)。在S2处产生反射，反射波ξ2=A1cos（ωt+2πx/λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A1＜A。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加，合成波束ξ3

ξ3=ξ1+ξ2=(A1+A2）cos（ωt-2πx/λ)+A1cos（ωt+2πx/λ)

=A1cos(2πx/λ)cosωt+A2cos（ωt-2πx/λ)

由此可見，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx/λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx/λ)呈周期变化的特性。

图4所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx/λ)变化的特性。

图2换能器间距与合成幅度

试验装置按图7所示，图中S1和S2為压电陶瓷换能器。S1作為声波发射器，它由信号源供应频率為数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作為声波的接受器，压电效应将接受到的声压转换成电信号。将它输入示波器，我們就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接受声波的同步还能反射一部分超声波，接受的声波、发射的声波振幅虽有差异，但两者周期相似且在同一线上沿相反方向传播，两者在S1和S2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我們在示波器上观测到的实际上是这两个相干波合成后在声波接受器S2处的振动状况。移动S2位置（既变化S1和S2之间的距离），你从示波器显示上会发現，当S2在某此位置時振幅有最小值。根据波的干涉理论可以懂得：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均為λ/2。為了测量声波的波長，可以在一边观测示波器上声压振幅值的同步，缓慢的变化S1和S2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不停地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间的距离為λ/2；S2移动过的距离亦為λ/2。超声换能器S2至S1之间的距离的变化可通过转动鼓轮

来实現，而超声波的频率又可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。

图3用李萨如图观测相位变化

在持续多次测量相隔半波長的S2的位置变化及声波频率f后来，我們可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。

3.相位法测量原理

由前述可知入射波ξ1与反射波ξ2叠加，形成波束ξ3

既ξ3=A1cos(2πx/λ)cosωt+A2cos（ωt-2πx/λ)

既对于波束：ξ1=Acos（ωt-2πx/λ)

由此可見，在通过△x距离后，接受到的余弦波与本来位置处的相位差（相移）為θ=2π△x/λ。如图5所示。因此能通过示波器，用李萨如图法观测测出声波的波長。

4.時差法测量原理

持续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，通过t時间后，抵达L距离处的接受换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由如下公式求出：

速度V=距离L/時间t

图4发射波与接受波

通过测量二换能器发射接受平面之间距离L和時间t,就可以计算出目前