超声波波速测量实验原理

由波动理论得知，声波的传播速度v与声波频率 和波长 之间的关系为 。所以只要测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出，波长则可用共振法和相位比较法进行测量。时差法可通过测量某一定间隔距离声音传播的时间来测量声波的传播速度。

本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换。它主要由压电陶瓷环片、轻金属铅(做成喇叭形状，增加辐射面积)和重金属(如铁)组成。压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。在压电陶瓷片的两个底面加上正弦交变电压，它就会按正弦规律发生纵向伸缩，从而发出超声波。同样压电陶瓷可以在声压的作用下把声波信号转化为电信号。压电陶瓷换能器在声-电转化过程中信号频率保持不变。

如图1所示，S1作为声波发射器，它把电信号转化为声波信号向空间发射。S2是信号接收器，它把接收到的声波信号转化为电信号供观察。其中S1是固定的，而S2可以左右移动。

由声源S1发出的声波(频率为 )，经介质(空气)传播到S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果接收面(S2)与发射面(S1)严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。反射面处是位移的波节，声压的波腹。改变接收器与发射源之间的距离 ，在一系列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波共振现象。此时 等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大;同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。通过压电转换，产生的电信号的电压值也最大(示波器显示波形的幅值最大)。因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离 ，即可得到该波的波长 ( )，并用 计算出声速。

声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的，但它和声源振动的位相差 不随时间变化。

设声源方程可写成 ，距声源x处S2接收到的振动为 = cosω( - )，两处振动的位相差 ，若把两处振动分别输入到示波器x轴和y轴(如图2所示)，那么当 = ，即 =2 时，合振动为一斜率为正的直线。当 ，即 时，合振动为一斜率为负的直线。当x为其它值时，合振动为椭圆。移动S2，当其合振动为直线的图形斜率正、负更替变化一次，S2移动的距离 ，

则

以上两种方法测声速都是用示波器观察波谷和波峰，或观察两个波间的相位差，原理是正确的，但读数位置不易确定。较精确测量声速是用声波时差法。时差法在工程中得到了广泛的应用，它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过 时间后，到达 距离处的接收换能器，所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度见图3。速度

(1)用共振干涉法和相位比较法测量声速。

(2)了解压电陶瓷换能器的功能。

(3)进一步熟悉示波器的使用。

(4)通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。

SV5型声速测量组合仪及SV5型声速测定专用信号源，示波器，300mm游标卡尺一把。

(1)示波器POWER开关置ON，调节亮度(INTENSITY)和聚焦(FOCUS)，使波形清晰。

(2)触发源(TRIG. SOURCE)开关置INT， 触发方式(TRIG.MODE)开关置AUTO，触发电平(TRIG.LEVEL)右旋至锁定(LOCK)状态。

(3)声速测量时，专用信号源、测试仪、示波器之间的连接方法见图9-4。

(1)将测试方法设置到连续方式，按图9-4(a)所示连好线。按下CH1开关，调节示波器，能清楚地观察到同步的正弦波信号。

(2)调节专用信号源上的 "发射强度"旋钮，使其输出电压在20VP-P左右，然后将换能器测试仪接线盒上的接收端接至示波器，将两声能转换探头靠近，按下CH2开关，调整信号频率，观察接收波的电压幅度变化，在某一频率点处(34.5kHz~39.5kHz之间，因不同的换能器或介质而异)电压幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点。

(3)改变S1、S2的距离，使示波器的正弦波振幅最大，再次调节正弦信号频率，直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值。记录此频率f。

(1)将S2移动接近S1处(注意不要接触)，再缓缓地移动S2，当示波器上出现振幅信号时时，记下位置x0。

(2)由近而远改变接收器S2的位置， 可观察到正弦波形发生周期性的变化, 逐个记下振幅最大的x1，x2 ，…，x9共10个点。

(1)在共振干涉法实验的基础上, 将示波器的X-Y控制键按下, 即可观察到椭圆。

(2)使S2稍靠拢S1，然后再慢慢地移离S2，当示波器屏上出现斜率为正的直线时，记

下S2的位置 。

(3)移动S2，依次记下示波器上斜率负、 正变化的直线出现时S2的对应位置 、 、… 。

(4)记下实验室温度t。…。

将测试方法设置到脉冲波方式，按图9-4(b)所示连好线。将S1和S2之间的距离调到一定距离(≥50mm)，再调节接收增益，使示波器上显示的接收波信号幅度在400mV左右(峰-峰值)，以使计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值Li、ti(时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)。移动S2，同时调节接收增益，使接收波信号幅度始终保持一致。每隔10.00mm记录下显示的时间值L1、ti共10个点。

当使用液体为介质测试声速时，先在测试槽中注入液体，直到把换能器完全浸没，但不能超过液面线。然后将信号源面板上的介质选择键切换至"液体"，并将连线接至插入接线盒的"液体"接线孔中，即可进行测试，步骤与上相同。

记下介质温度t℃。

(1)空气介质

测量空气声速时,将专用信号源上的"声速传播介质"置于"空气"位置，换能器的发射源(带有转轴)用紧定螺钉固定，然后将话筒插头插入接线盒中的插座中。

可将S2(接收换能器)转动到与S1(发射换能器)相隔1mm处(两换能器喇叭形平面)，不要相碰，开启数字显示表头电源，并置0，即可进行测量。

(2)液体介质

在储液槽中注入液体，直至将换能器完全浸没，但不能超过液面线。注意:在注入液体时，不能将液体淋在数字显示表头上。将专用信号源上的"声速传播介质"置于"液体"位置，换能器的连接端应在接线盒上的"液体"专用插座上。

测量液体声速时，由于在液体中声波的衰减较小，因而存在较大的回波叠加，并且在相同频率的情况下，其波长 要大得多，用驻波法和相位法测量时可能会有较大的误差，所以建议采用时差法测量。

(3)固体介质

测量非金属(有机玻璃棒)、金属(黄铜棒)固体介质时，将专用信号源上的"测试方法"置于"脉冲波"位置，"声速传播介质"按测试材质的不同，置于"非金属"或"金属"位置。将待测的测试棒的一端面小螺柱旋入接收换能器螺孔内，再将另一端面的小螺柱旋入能旋转的发射换能器上，使固体棒的两端面与两换能器的平面可靠、紧密接触，(旋紧时，应用力均匀，不要用力过猛，以免损坏螺纹及储液槽)，然后把发射换能器尾部的连接插头插入接线盒的插座中，即可开始测量，其时间由专用信号源窗口读出，距离即为待测棒的长度，可用游标卡尺测量(厂方提供相同介质但长度不同的几根待测棒)，多次测量，然后用逐差法处理数据。测量过程中，调换测试棒时，应先拔出发射换能器尾部的连接插头，然后旋出发射换能器的一端，再旋出接收换能器的一端。

(1)自拟表格，记录所有的实验数据。表格的设计要便于用逐差法求相应位置的差值和计算 和 。

(2)算出共振干涉法和相位比较法测得的波长平均值 和 ，及其标准偏差 和 。 经计算可得波长的测量结果 = ， Δ

(3)计算按前两种方法测量的v和 ，以及Δv和Δ ，并写出实验结果v±Δv和v' Δv'。

(4)按理论值公式(空气中): = v0 算出理论值vS，(式中v0=331.45m/s为T0=273.15K时的声速，T= t+273.15K )。并将v和 与 比较，用百分误差表示，并分析产生误差的原因。

(5)计算时差法测量声速的误差v，并将v与 比较， 用百分误差表示。

(1)声速测量中的共振干涉法和位相比较法有何异同?

(2)本实验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是否

处于谐振状态?

(3)两列波在空间相遇时产生驻波的条件是什么?如果发射面S1和接收面S2不平行，

结果会怎样?

(4)相位比较法中作一个周期变化和共振干涉法中作一个周期变化，S2移动距离是否相同?

(5)相位比较法为什么选直线图形作为测量基准?从斜率为正的直线变到斜率为负的直线过程中相位改变了多少?

(6)在相位比较法中，调节哪些旋钮可改变直线的斜率?调节哪些旋钮可改变李莎如图形的形状?

(7)用逐差法处理数据的优点是什么?还有没有别的合适的方法可处理数据并且计算 确定值?

七 附录

1.数显表头的使用方法及维护

声速测量组合仪储液槽上方的测量显示两换能器移动距离的数显表头使用方法:

(1)inch/mm按钮为英/公制转换钮，测量声速时用"mm"。

(2)"OFF""ON"按钮为数显表头电源开关。

(3)"ZERO"按钮为表头数字回零用。

(4)数显表头在标尺范围内，接收换能器处于任意位置都可设置"0"位。摇动丝杆，接收换能器移动的距离为数显表头显示的数字。

(5)数显表头右下方有"▼"处，打开它为更换表头内纽扣式电池处。

(6)使用时，严禁将液体淋到数显表头上，如不慎将液体淋入，可用电吹风吹干。(电吹风用低档，并保持一定距离使温度不超过70℃)。

(7)数显表头与数显杆尺的配合极其精确，应避免剧烈的冲击和重压。

(8)仪器使用完毕后，应关闭数显表头的电源，以免不必要地消耗电池。

2.不同介质声速传播测量参数(供参考)

(1)标准大气压下传播介质空气

= v0 算出理论值vS，(式中v0=331.45m/s为T0=273.15K时的声速，T=t+273.15K )

(2)液体

①淡水: 1 480 m/s;②甘油 :1 920 m/s;③变压器油:1 425 m/s;④蓖麻油:1 540 m/s;

(3)固体

①有机玻璃 :1 800~2 250m/s;②尼龙:1 800~2 200m/s;③聚胺脂:1 600~1 850 m/s;④黄铜: 3 100~3 650m/s;⑤金:2 030m/s;⑥银:2 670 m/s

注:固体材料由于其材质、密度、测试的方法各有差异，故其声速测量参数仅供参考。