实验十四 声速的测量

【实验目的】

1．了解超声换能器的工作原理和功能

2．学习不同方法测定声速的原理和技术

3．熟悉测量仪和示波器的调节使用

4．测定声波在空气及水中的传播速度

【实验仪器】

1．ZKY—SS型声速测定实验仪 一台

2．双踪示波器 一台

【实验原理】

声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。声波在媒质中传播时，声速，声衰减等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性及状态变化。例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量；气体、液体的比重、成分等参量。

在同一媒质中，声速基本与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。由于超声波具有波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。

声速的测量方法可分为两类：

第一类方法是直接根据关系式V=S／t，测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，称为“时差法”，这是工程应用中常用的方法。

第二类方法是利用波长频率关系式V=f·λ，测量出频率f和波长λ来计算出声速，测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”，本实验用三种方法测量气体和液体中的声速。

1．压电陶瓷换能器压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上会产生一定的电场巳它们之间有线性关系E=g·F 。反之，当在压电材料的极化方向上加电压E 时，材料的伸缩形变S与电压E也有线性关系S=a·E，比例系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。本实验采用压电陶瓷超声换能器将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动。压电陶瓷片是换能器的工作物质，它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡，锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属组成的夹心型振子，就构成了换能器．由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩，这样所发射的声波，方向性强，平面性好。每一只换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频率，才能有效的发射(或接收)。实验时用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，二换能器的表面互相平行，且谐振频率匹配。

2． 共振干涉(驻波)法测声速

到达接收器的声波，一部分被接收并在接收器电极上有电压输出，一部分被向发射器方向反射。由波的干涉理论可知，两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波，驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅最小的点称为波节，任何两个相邻波腹(或两个相邻波节)之间的距离都等于半个波长。改变两只换能器间的距离，同时用示波器监测接收器上的输出电压幅度变化，可观察到电压幅度随距离周期性的变化。记录下相邻两次出现最大电压数值时游标尺的读数。两读数之差的绝对值应等于声波波长的二分之一。已知声波频率并测出波长，即可计算声速。实际测量中为提高测量精度，可连续多次测量并用逐差法处理数据。

换能器移动方向

图14－1 接收到的波形3． 相位比较(行波)法测声速

当发射器与接收器之间距离为L时，在发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号之间将有相位差Φ=2πL/λ=2πn+ΔΦ。

若将发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号分别接到示波器的X 及Y输入端，则相互垂直的同频率正弦波干涉，其合成轨迹称为李萨如图，如图14－2所示。

ΔΦ=0 ΔΦ=π/4 ΔΦ=π/2 ΔΦ=3π/4 ΔΦ=πΔΦ=5π/4 ΔΦ=3π/2 ΔΦ=7π/4

图14－2 相位差不同时的李萨如图

当接收器和发射器的距离变化等于一个波长时，则发射与接收信号之间的相位差也正好变化一个周期(即ΔΦ=2π)，相同的图形就会出现。反之，当准确观测相位差变化一个周期时接收器移动的距离，即可得出其对应声波的波长λ，再根据声波的频率，即可求出声波的传播速度。

4． 时差法测量声速

若以脉冲调制正弦信号输入到发射器，使其发出脉冲声波，经时间t后到达距离L处的接收器。接收器接收到脉冲信号后，能量逐渐积累，振幅逐渐加大，脉冲信号过后，接收器作衰减振荡，如图14－3所示。t可由测量仪自动测量，也可从示波器上读出。实验者测出L

后，即可由V=L／

t计算声速。

图14－3 时差的测量【实验内容】

1．声速测定仪系统的连接与工作频率调节。

（1）连接装配(如图14－4所示)。超声实验装置和声速测定仪信号源及双踪示波器之间的连接如下：

①测试架上的换能器与声速测定信号源之间的连接：

信号源面板上的发射驱动端口(TR)，用于输出一定频率的功率信号，请接至测试架左边的发射换能器(定子)；仪器面板上的接收换能器信号输入端口(RE)，请连接到测试架右边的接收换能器(动子)。

②示波器与声速测定信号源之间的连接：

信号源面板上的超声发射监测信号输出端口(MT)输出发射波形，请接至双踪示波器的CHl(Y通道)，用于观察发射波形；仪器面板上的超声接收监测信号输出端口输出接收的波形，请接至双踪示波器的CH2(X通道)，用于观察接收波形。

图14－4 声速测定仪系统

（2）在接通市电开机后，显示欢迎界面后，自动进入按键说明界面。按确认键后进入工作模式选择界面，可选择驱动信号为连续正弦波工作模式(共振干涉法与相位比较法)或脉冲波工作模式(时差法)；在工作模式选择界面中选择驱动信号为连续正弦波工作模式，在连续正弦波工作模式中是信号源工作预热15分钟。

（3）调节驱动信号频率到压电陶瓷换能器系统的最佳工作点

只有当发射换能器的发射面与接收换能器的接收面保持平行时才有较好的系统工作效果。为了得到较清晰的接收波形，还须将外加的驱动信号频率调节到发射换能器的谐振频率点处时，才能较好的进行声能与电能的相互转换，以得到较好的实验效果。

按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率估计一下示波器的扫描时基并进行调节，使在示波器上获得稳定波形。以目前使用的换能器的标称工作频率而言，时基选择在5-20us/div会有较好的显示效果。

超声换能器工作状态的调节方法如下：在仪器预热15分钟并正常工作以后，首先自行约定超声换能器之间的距离变化范围，再变化范围内随意设定超声换能器之间的距离，然后调节声速测定仪信号源输出电压(10—15Vpp之间)，调整信号频率(在30--45kHz)，观察频率调整时接收波形的电压幅度变化，在某一频率点处(34kHz一38kHz之间)电压幅度最大，这时稳定信号频率，再改变超声换能器之间的距离，改变距离的同时观察接收波形的电压幅度变化，记录接收波形电压幅度的最大值和频率值；再次改变超声换能器间的距离到适当选择位置，重复上述频率测定工作，共测多次，在多次测试数据中取接收波形电压幅度最大的信号频率作为压电陶瓷换能器系统的最佳工作频率点。

2． 用共振干涉法测量空气中的声速

按第一条的要求完成系统连接与调谐，并保持在实验过程中不改变调谐频率。 将示波器设定在扫描工作状态，扫描速度约为lOus／格,信号输入通道输入调节旋钮约为1v／格（根据实际情况有所不同），并将发射监测输出信号输入端设为触发信号端。

信号源选择连续波(Sine-Wave)模式，建议设定发射增益为2档、接收增益为2档。

摇动超声实验装置丝杆摇柄，在发射器与接收器距离为5厘米附近处，找到共振位置(振幅最大)，作为第1个测量点。按数字游标尺的归零(ZERO)键，使该点位置为零(对于机械游标尺而言，以此时的标尺示值作始点)。摇动摇柄使接收器远离发射器，每到共振位置均记录位置读数，共记录10组数据于表14－1中。

接收器移动过程中若接收信号振幅变动较大影响测量，可调节示波器的通道增益旋钮，使波形显示大小合理。

3． 用相位比较法测量空气中的声速

按第一条的要求完成系统连接与调谐，并保持在实验过程中不改变调谐频率。信号源选择连续波(Sine-Wave)模式，建议设定发射增益为2档、接收增益为2档。

将示波器在设定X-Y工作状态。将信号源的发射监测输出信号接到示波器的X输入端，并设为触发信号，接收监测输出信号接到示波器的Y输入端, 信号输入通道输入调节旋钮约为1v／格（根据实际情况有所不同）。

在发射器与接收器距离为5厘米附近处，找到 ΔΦ= 0的点，作为第1个测量点。按数字游标尺的归零(ZERO)键，使该点位置为零(对于机械游标尺而言，以此时的标尺示值作始点)。摇动摇柄使接收器远离发射器，每到ΔΦ=0时均记录位置读数，共记录10组数据于表14－2中。

接收器移动过程中若接收信号振幅变动较大影响测量，可调节示波器Y通道增益旋钮，使波形显示大小合理。

4．用相位比较法测量水中的声速

测量水中的声速时，将实验装置整体放入水槽中，槽中的水高于换能器顶 1—2厘米。按第一条的要求完成系统连接与调谐，并保持在实验过程中不改变调谐频率。

信号源选择连续波(Sine-Wave)模式，设定发射增益为0，接收增益调节为0档。将示波器在设定X-Y工作状态。将信号源的发射监测输出信号接到示波器的X输入端，并设为触发信号，接收监测输出信号接到示波器的Y输入端, 信号输入通道输入调节旋钮约为1v／格（根据实际情况有所不同）。

在发射器与接收器距离为3厘米附近处，找到 ΔΦ= 0（或π）的点，作为第1个测量点。按数字游标尺的归零( ZERO )键，使该点位置为零(对于机械游标尺而言，以此时的标尺示值作始点)。摇动摇柄使接收器远离发射器，接收器移动过程中若接收信号振幅变动较大影响测量，可调节示波器Y衰减旋钮。由于

水中声波长约为空气中的5倍，为缩短行程，可在ΔΦ= 0；π 处均进行测量，共记录10组数据于表14－3中。

5． 用时差法测量水中的声速

按第一条的要求完成系统连接与调谐，并保持在实验过程中不改变调谐率。

信号源选择脉冲波工作模式，设定发射增益为2，接收增益调节为2档。将发射器与接收器距离为3厘米附近处，作为第1个测量点。按数字游标尺的归零(ZER0)键，使该点位置为零(对于机械游标尺而言，以此时的标尺示值作始点)，并记录时差。摇动摇柄使接收器远离发射器，每隔20毫米记录位置与时差读数，共记录10点于表14－4中。

也可以用示波器观察输出与输入波形的相对关系。将示波器在设定扫描工作状态，扫描速度约为0.2ms／格, 发射信号输入通道调节为1v／格，并设为触发信号，接收信号输入通道调节为0.1v／格（根据实际情况有所不同）。

附：数据记录表

表14－1 共振干涉法测量空气中的声速 谐振频率f0= kHz;温度T=

测量次数i 1 2 3 4 5

λ（平均）位置Li（mm）

测量次数i 6 7 8 9 10

位置Li(mm)

波长iλ(mm)

实验结论：V实验＝V理论＝误差E= %

表14－2 相位比较法测量空气中的声速 谐振频率f0= kHz;温度T=

测量次数i 1 2 3 4 5

λ（平均）位置Li（mm）

测量次数i 6 7 8 9 10

位置Li(mm)

波长iλ(mm)

实验结论：V实验＝V理论＝误差E= %表14－3 共振干涉法测量水中的声速 谐振频率f0= kHz;温度T=

测量次数i 1 2 3 4 5

λ（平均）位置Li（mm）

测量次数i 6 7 8 9 10

位置Li(mm)

波长iλ(mm)

实验结论：V实验＝

表14－4 时差法测量水中的声速 谐振频率f0= kHz;温度T=

测量次数i 1 2 3 4 5

位置Li（mm）

测量次数i 6 7 8 9 10

V（平均）位置Li(mm)

波长iλ(mm)

时刻t i(sμ)

速度

V i(m/s)

实验结论：V实验＝