三种测试方法测试声速

三种测试方法测试声速

一、实验目得掌握测量声速得几种方法实际测量声速

二、实验仪器系列声速测试仪为观察、研究声波在不同介质中传播现象，测量这些介质中声S V—D H波传播速度得专用仪器她们都由声速专用测试架及专用信号源二部分组成仪器可用于大学基础物理实验系列声速测试仪不但覆盖了基础物理声速实验中常用得二种测试方法，而且,在上SV-DH述常规测量方法基础上还可以用工程中实际使用得声速测量方法时差法进行测量在时差法工作状态下，使用示波器，可以非常明显、直观地观察声波在传播过程中经过多次反射、叠加而产生得混响波形型号与组成系列声速测试仪就就是由声速测试仪（测试架）和声速测试仪信号源二个部分组SV-DH成下列声速测试仪都可增加固体声速测量装置,用于固体声速得测量对于声速测试架,有以下型号型声速测定仪（支架式、千分尺读数）；SV—DH-3型声速测定仪（支架式、数显容栅尺读数）；SV-DH-3A型声速测定仪（液槽式、千分尺读数）；SV—DH—5型声速测定仪（液槽式、数显容栅尺读数）；SV-DH-5A型声速测定仪（液槽可脱卸、千分尺读数）SV-DH-7型声速测定仪（液槽可脱卸、数显容栅尺读数）SV-DH-7A对于信号源,有以下型号SVX-3型声速测定信号源（频率范围20kHz〜45kHz,带时差法测量脉冲信号源）；SVX-5型声速测定信号源（频率范围20kHz〜45k Hz,带时差法测量脉冲信号源）;SVX-7型通用信号源（频率范围50Hz〜50KHz、带时差法测量脉冲信号源）；图列出、声速测试仪信号源面板，图为声速测试仪外形示意图1SVX-5SVX—72HZDH杭州大华SVX-5综合声速测定仪信号源物网丐江号源面板SVX调节方发射强度:用于调节输出信号电功率（输出电压）;接收增益:用于调节仪器内部得接收增益丝杆数显游标卡尺主要技术参数、声速测试仪1SV-DH

1、1环境适应性:工作温度10〜35℃;相对湿度25〜75%、抗电强度:仪器能耐受正弦波电压耐压试验1250Hz500V Imin、配对压电陶瓷换能器:谐振频率可承受得连续电功率不小于1335±3kHz;15Wo

1、4两换能器之间测试距离50〜280mm（支架式）、50〜350mm（水槽式）、外形:测试架外形尺寸（支架式）15:480mmXl40mm X152mm（水槽式）530mm X140mm X160mm、型声速测试仪信号源2SVX—

3、功率信号源

212、

1、1频率范围25kHz〜45kHz、、最大输出电压212:15Vp—p、、最大输出功率213:5W、、频率显示位数字显示214:5LED、脉冲调制信号源

22、、信号频率、221365kHz、、脉冲宽度222200pis、脉冲周期2238ms、计数定时器

232、

3、1计数定时范围:1RS〜1s

2、

3、2分辨率:1RS、仪器外形尺寸24290mm X240mmX120mm、型综合声速测试仪信号源3S VX-

5、空气和液体切换测量

31、其她同型声速测试仪信号源32S VX-

3、型通用信号源4SVX-

7、空气、液体和固体介质切换测量

414、2频率范围:50〜500Hz,500〜5kHz,5kHz〜50kHz、其她同型声速测试仪信号源

三、实验原理43SVX-

3、超声波与压电陶瓷换能器1频率得机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于称为超声波，超20Hz-20kHz20kHz声波得传播速度就就就是声波得传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用得声波频率一般都在20〜60kHz之间在此频率范围内,采用压电陶瓷换能器作为声波得发射器、接收器效果最佳正负电极片后盖反射板图3纵向换能器得结构简图压电陶瓷换能器根据她得工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器声速教学实验中所用得大多数采用纵向换能器图为纵向换能器得结构简图

3、共振干涉法（驻波法）测量声速2假设在无限声场中，仅有一个点声源（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S1）当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生S2一次反射在上述假设条件下,发射波（在处产生反射,反射波二（Acos3t+27ix/Q S2A[Cos3t+2冗/人），信号相位与刍相反，幅度与之在反射平面相交叠加，合成波束x AiA2Q^3=^1+^2=（A1+A）CO S（3t-2兀X/人）+A1COS（（Dt+271X/X）2=A]COS（271X/人）C OS3t+A2co S（cot-271X/人）由此可见,合成后得波束£在幅度上,具有随（/人）呈周期变化得特性，在相位c s271X上,具有随（兀/人）呈周期变化得特性2x图4所示波形显示了叠加后得声波幅度，随距离按COS（2TIX/人）变化得特征图4换能器间距与合成幅度实验装置按图所示，图绛S1和S,为矗嘉富篇建豳擘S1作为声波发射器,她由信号源佚给频率类与十千师累交萧岭号，由逆压电效应发出一平面超声波;而则作为声波方然压电S2效应抽接■收蜀得声压转换成电信号将她输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生得正弦波形由于在接收声波得同时还能反射一部分超声波,接收得声波、发射得声波振幅虽S2有差异,但二者周期相同且在同一线上沿相骋窗抽鬻骂嘴鼾和区域内产生了波得干涉，形成S2驻波我们在示波器上观察到得实际上就就是这两个相干波合成后在声波接收器处得振动情S2况移动位置（即改变和之间得距离）,您从示波器显示上会发现，当在某此S2S1S2S2位置时振幅有最小值根据波得干涉理论可以知道:任何二相邻得振幅最大值得位置之间（或二相邻得振幅最小值得位置之间）得距离均为入/为了测量声波得波长，可以在一边观察示波2器上声压振幅值得同叱缓慢得改变和之间得距离示波器上就可以看到声振动幅值不S1S2断地由最大变到最小再变到最大，二相邻得振幅最大之间得距离为入移动过得距离亦为入/2;S2超声换能器至之间得距离得改变可通过转动鼓轮/2S2S1来实现，而超声波得频率又可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出即£=A\C OS（271X/人）C OS3t+A2cos（cot-2TI X/人）即对于波束:（）兀/入）Wi=A coso t-2x由此可见，在经过^距离后，接收到得余弦波与原来位置处得相位差（相移）为x6=2兀△/入如图所示因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波得波长x

5、时差法测量原理4连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,经过时间后，t到达距离处得接收换能器由运动定律可知，声波在介质中传播得速度可由以下公式求出L速度二距离时间V L/t发射换能器波形通过测量二换能器,介:计算出当前接收换能器波形质下得声波传播速度

四、实验步骤、仪器在使用之前续波1后，自动工作在连3方式，选择得介质为名SVX型信号源示波器||Y1Y

8、驻波法测量声2SIYlY2S

2、测量装置得:21如图所示，信号源面板上得发射端换能器接口（）用于输出一定频率得功率信号,请接7\1,至测试架得发射换能器（）；信号源面板上得发射端得发射波形请接至双踪示波器得S1Y1,CH1（）,用于观察发射波形；接收换能器（）得输出接至示波器得（）Y1S2CH2Y

2、测定压电陶瓷换能器得最佳工作点22只有当换能器得发射面和得接收面保持平行时才有较好得接收效果;为了得到较S1S2清晰得接收波形，应将外加得驱动信号频率调节到换能器、得谐振频率点处时，才能较好SI S2得进行声能与电能得相互转换（实际上有一个小得通频带），以得到较好得实验效果按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处得信号频率,估计一下示波器得扫描时基，并进行调节，使t/d iV在示波器上获得稳定波形超声换能器工作状态得调节方法如下:各仪器都正常工作以后，首先调节发射强度旋钮，使声速测试仪信号源输出合适得电压（8〜lOVp.p之间），再调整信号频率（在25〜45kH z），选择合适得示波器通道增益（一般

0、2V〜lV/div之间得位置），观察频率调整时接收波得电压幅度变化，在某一频率点处（

34、5〜

37、5kHz之间）电压幅度最大，此频率即就就是压电换能器S

1、S2相匹配频率点，记录频率FN,改变S1和S2间得距离,适当选择位置，重新调整，再次测定工作频率，共测次，取平均频率5f将测试方法设置到连续波方式,合适选择相应得测试介质完成前述、、、步骤后，2122观察示波器，找到接收波形得最大值然后转动距离调节鼓轮，这时波形得幅度会发生变化，记录下幅度为最大时得距离距离由数显尺（数显尺原理说明见附录）或在机械刻度上读出，Lj,2再向前或者向后（必须就就是一个方向）移动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录下此时得距离Lj即有:波长％=2|Li-LL,多次测定用逐差法处理数据、相位法/李萨如图法测量波长得步骤3将测试方法设置到连续波方式,合适选择相应得测试介质完成前述、、、步骤后，2122将示波器打到方式，并选择合适得通道增益转动距离调节鼓轮,观察波形为一定角度得“X-Y”斜线，记录下此时得距离」;距离由数显尺（数显尺原理说明见附录）或机械刻度尺上读出，L2再向前或者向后（必须就就是一个方向）移动距离，使观察到得波形又回到前面所说得特定角度得斜线，记录下此时得距离即有波长％=L

1、干涉法/相位法测量数据处理4已知波长％和频率（频率由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出）则声速二f i,G人i Xf i因声速还与介质温度有关,所以必要时请记下介质温度t°C O、时差法测量声速步骤5有跳字，则微调（距离增大时，顺时针碉节;距离减小时,逆时针调节）接收增益，使计时器读按图所示进行接箕，并选择相应得测试介调8质将和之间得也得节接收增益，使显示火态S1S2然后记录此时,如果计时间差值读数稳定，此得距g2时器读数离值和信号源计时数连续准确变化记录下这时得距离值和显示得时间值、则Lj tio声速（）（）C i=L-L./tj-tj.1oi i1当使用液体为介质测试声速叱先在测试槽中注入液体，直至把换能器完全浸没，但不能超过液面线然后将信号源面板上得介质选择键切换至“液体”，即可进行测试，步骤相同、固体介质中得声速测量6在固体中传播得声波就就是很复杂得,她包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒得形状有关金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播，只在特殊情况下为纵波固体介质中得声速测量需另配专用得固体测量装置，用时差法进行测量S VG实验提供两种测试介质:塑料棒和铝棒每种材料有长、中、短三根样品,塑料棒得长度分别为、、金属棒得长度分别为、、对于每160mm12Omm80mm;180mm13Omm80mmo种材料得固体棒，只需测两根样品，即可按上面得方法算出声速测量时，按图接线为了得到准确得测量结果，测量时需要在固体棒两端面上涂上适量8得耦合剂，使其接触良好将接收增益调到适当位置一般为最大位置，以计时器不跳字为好介质选择为“固体”将固体棒放在专用支架上，转动鼓轮，使两个换能器之间得距离能够放下固体棒，再转动鼓轮，使两换能器得端面与固体棒紧密接触并对准提示:金属棒得计时读数在33〜55RS之间,塑料棒得计时读数在55〜110pis为正常值，跳字或者大于这个范围得一般就就是没有接触好

五、实验数据、自拟表格记录所有得实验数据，表格要便于用逐差法求相应位置得差值和计算入

1、以空气介质为例，计算出共振干涉法和相位法测得得波长平均值入，及其标准偏差，，2同时考虑仪器得示值读数误差为、经计算可得波长得测量结果入二土△底0Olmmo、按理论值公式僖，算出理论值3Vs=Vo Vs式中、为、时得声速，、V°=33145m/s T0=27315K T=t+27315Ko或按经验公式、、计算为介质温度℃V=33145+059t m/s,V t、计算出通过二种方法测量得以及值，其中4V AV4V=V-Vs将实验结果与理论值比较，计算百分比误差分析误差产生得原因可写为在室温为℃时，用共振干涉法相位法测得超声波在空气中得传播速度为V=±m/s,5=-=%Vs、列表记录用时差法测量塑料棒及金属棒得实验数据5三根相同材质，但不同长度待测棒得长度1每根测试棒所测得相对应得时间2用逐差法求相应得差值，然后计算出声速，并与理论声速传播测量参数进行比较，并计算3百分误差、声速测量值与公认值比较

6、空气中声速,按理论值公式，求得1Vs=Vo,Vs式中、为丁、时得声速，或按经验公V°=33145111/50=27315K T=t+27315KO式

二、、计算为介质温度℃V33145+059tm/s,V t液体中得声速2固体中得纵波声3介质温度℃声波速度m/s速海水171510-1550铝:棒C普通251497块二=5150m/s,C水

30.81450菜籽油

32、514256300m/s变压器油铜:棒=2块=3700m/s C5,钢:棒=块C5050m/s,C=610Om/s玻璃:棒二块C5200m/s,C=5600m/s硬塑料:C棒=1500〜220Om/s,C块=2000〜2600m/s注:以上数据仅供参考由于介质得材料成分和温度得不同，实际测得得声速范围可能会较大

六、思考题、声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？

1、为什么要在谐振频率条件下进行声速测量？如何调节和判断测量系统就就是否处于谐2振状态？、为什么发射换能器得发射面与接收换能器得接收面要保持互相平行？

3、声音在不同介质中传播有何区另声速为什么会不同？4

七、注意事项、使用叱应避免声速测试仪信号源得功率输出端短路

1、在液体（水）作为传播介质测量时，应避免液体接触到其她金属件，以免金属物件被2腐蚀每次使用完毕后，用干燥清洁得抹布将测试架及螺杆清洁干净、严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将•液体（水）滴到数显尺杆3和数显表头上，请用℃以下得温度将其烘干，即可使用

60、声速信号源在开机或受到外部强磁场干扰时，有时会产生死机此时请按后面板左侧4复位按钮键，进行复位、、、型测试架体带有有机玻璃，容易5SV-DH-5SV—DH-5A,SV-DH-7S V-DH-7A破碎，使用时应谨慎，以防止发生意外、数显尺电池使用寿命为至个月，过了使用期后请更换电池

6687、仪器不使用时，应存放空气温度在0〜35℃得室内架子上；架子离地高度大于100mm;仪器应在清洁干净得场所使用，避免阳光直接暴晒和剧烈颠震。