超声波传播速度的测量

超声波传播速度的测量 超声波传播速度的测量 一、 实验内容 1.用相位比较法测量声速 2.用共振干涉法测量声速 3.通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能。 二 、实验仪器 SVX-5型声速测试仪信号源 SV-DH系列声速测试仪 实验装置 三、预备知识介绍 1.声 波 频率介于20Hz20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波介于20kHz500MHz的称为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长短易于定向发射和会聚等优点声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz60kHz之间。在此频率范围内采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。 2.压电陶瓷换能器 压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。 压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料如石英、锆钛酸铅陶瓷等在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应即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且具有线性关系TgE即力?电称为正压电效应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U之间有简单的线性关系UdS即电?力称为逆压电效应。其中g为比例系数d为压电常数与材料的性质 TS与U之间有简单的线性关系因此我们就可以将正弦交流电信号变成有关。由于E与 压电材料纵向的长度伸缩使压电陶瓷片成为超声波的波源。即压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器反过来也可以使声压变化转化为电压变化即用压电陶瓷片作为声频信号接收器。因此压电换能器可以把电能转换为声能作为声波发生器也可把声能转换为电能作为声波接收器之用。 压电陶瓷换能器根据它的工作方式可分为纵向振动换能器、径向振动换能器及弯 图1 纵向换能器的结构 曲振动换能器。图1所示为纵向换能器的结构简图。 四、实验原理 根据声波各参量之间的关系可知f其中为波速 λ为波长f为频率。 在实验中可以通过测定声波的波长λ和频率f求声速。声波的频率f可以直接从低频信号发生器信号源上读出而声波的波长λ则常用相位比较法行波法和共振干涉法驻波法来测量。 图2 实验装置 正负电极片后盖反射板压电陶瓷片辐射头1.相位比较法 实验装置接线如图2所示置示波器功能于XY方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2合成振动方程为 sincos21221221222212AAxyAyAx 在发射波和接收波之间产生相位差 x212 见图3随着振动的相位差从0的变化李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。因此每移动半个波长就会重复出现斜率符号相反的直线测得了波长和频率f根据式f即可计算出声音传播的速度。 0 4 2 43 a b c d e 图3 合成振动 改变S1和S2之间的距离L相当于改变了发射波和接收波之间的相位差荧光屏上的图形也随L不断变化。显然当S1、S2之间距离改变半个波长2/L则。 2.共振干涉驻波法测声速 实验装置接线仍如图2所示使S1发出一平面波。S2作为超声波接收头把接收到的声压转换成交变的正弦电压信号后输入示波器观察示波器置扫描方式。S2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1和S2之间产生定域干涉。 当S1和S2之间的距离L恰好等于半波长的整数倍时即 2kL k 0123 ???? 形成驻波共振。任意两个相邻的共振态之间S2的位移为 22211kkLLLkk 所以当S1和S2之间的距离L连续改变时示波器上的信号幅度每一次周期性变化相当于S1和S2之间的距离改变了2。此距离2可由读数标尺测得频率f由信号发生器读得由f即可求得声速。 五、实验步骤 1.声速测试仪系统的连接与调试 接通电源信号源自动工作在连续波方式选择的介质为空气的初始状态预热15min。声速测试仪和声速测试仪信号源及双踪示波器之间的连接如图2所示。 1测试架上的换能器与声速测 试仪信号源之间的连接 信号源面板上的发射端换能器接口S1用于输出相应频率的功率信号接至测试架左边的发射换能器S1仪器面板上的接收端的换能器接口S2请连接测试架右边的接收换能器S2。 2示波器与声速测试仪信号源之间的连接 信号源面板上的发射端的发射波形Y1接至双踪示波器的CH1X用于观察发射波形信号源面板上的接收端的接收波形Y2接至双踪示波器的CH2Y用于观察接收波形。 2.共振频率的调试测量 只有当换能器S1和S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果为了得到较清晰的接收波形应将外加的驱动信号频率调节到发射换能器S1谐振频率点处才能较好地进行声能与电能的相互转换提高测量精度以得到较好的实验效果。 超声换能器工作状态的调节方法如下各仪器都正常工作以后首先调节声速测试仪信号源输出电压100mV500mV之间调节信号频率在2545kHz观察频率调整时接收波的电压幅度变化在某一频率点处34.537.5kHz之间电压幅度最大同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点记录频率νi 改变S1和S2之间的距离适当选择位置即至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时 次取平均值0 。 3.?孟的位置再微调信号频率如此重复调整再次测定工作频率共测5 辔槐冉戏ɡ钊 缤夹尾饬坎ǔ?1 将测试方法设置到连续波方式连好线路把声速测试仪信号源调到最佳工作频率f。 2调节示波器把“扫描时间”旋扭旋至“X-Y”方式 3移动S2依次记下示波器上波形由图3中a变为 图3中e时读数标尺位置的读数L1、L2?? 共10个值 4记下室温t 5用逐差法处理数据。 4.干涉法驻波法测量波长 1 按图2所示连接好电路 2 将测试方法设置到连续波方式把声速测试仪信号源调到共振工作频率根据共振特点观察波幅变化进行调节。 3 在共振频率下将S2移近S1处依次记下各振幅最大时的读数标尺位置L1、L2?? 共10个值 4 记下室温t 5 用逐差法处理数据。 六、注意事项 1 换能器发射端与接收端间距一般要在5cm以上测量数据距离近时可把信号源面板上的发射强度减小随着距离的增大可适当增大 2 示波器上图形失真时可适当减小发射强度 3 测试最佳工作频率时应把接收端放在不同位置处测量5次取平均值。 七、数据记录及数据处理 1. 驻波法 t 0C 0v331.45m/s f 波幅最大位置 limm l1 l2 l3 l4 l5 波幅最大位置 li5mm l6 l7 l8 l9 l10 iiilll5mm 5ill 52l f 15.273100tv 0 1000E 2. 相位法 t 0C 0v331.45m/s f 相位变化为位置 limm l1 l2 l3 l4 l5 相位变化为位置 li5mm l6 l7 l8 l9 l10 iiilll5mm 5ill 52l f 15.273100tv 0 1000E 八、思考题 1 本实验中的超声波是如何获得的 提示利用压电陶瓷的逆压电效应原理将高频率的电信号转换成超声波信号。将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩变化从而产生纵向的机械振动从而产生超声波。 2 超声波信号能否直接用示波器观测怎样实现 提示不能。利用压电陶瓷的逆压电效应将电信号转换成超声波信号发射再利用其正压电效应将声压转换成电电压的变化用于示波器观测。 3 用驻波共振法测量超声波声速如何测量其频率波长又如何测量 提示波长调整接收端和发射端的距离使之为半波长的整数倍发射信号与信号相遇产生驻波据此测量相邻两波幅之间的距离计算得到。 频率调整发射信号的频率观察振幅使之最大由此判断发射信号与换能器产生共振此时发射信号的频率即为超声波的频率。 4 发射信号接CH1通道、接受信号接CH2通道用驻波共振法时示波器各主要旋钮该如何调节用相位法时又该如何调节 提示见实验步骤。 5 固定距离改变频率以求声速。是否可行 提示不行换能器有一个固有频率发射信号的频率与之相等时产生共振幅度最大若发射信号的频率偏离其固有频率幅度衰减很快直至幅度为零不利于观测。