实验1 超声波声速的测量(301)

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1、超声波声速的测量（301）一、实验目的1.了解压电陶瓷换能器的工作原理2.培养综合运用仪器的能力3.学习用共振干涉法和相位比较法测量超声波的波速4.加深对驻波及振动合成等理论知识的理解二、实验仪器示波器、信号发生器、超声波声速测定仪、导线三、实验原理声波是一种在弹性介质中传播的机械纵波.频率在20~20000Hz的声波为可听声波.低于20Hz的声波为次声波，高于20000Hz的声波为超声波，这两类声波不能被人耳听到，但与可听声波性质相同.1234图24-11.铝头2.压电陶瓷圆环3.黄铜尾部4.螺钉

2、本实验采用压电陶瓷超声波换能器，来产生和接收超声波.如图24-1所示，压电陶瓷超声波换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属，组成夹心结构.头部用铝做成喇叭形，尾部用铜做成锥形，中部为压电陶瓷环，螺钉穿过环的中心.压电陶瓷片由多晶结构的压电材料（如钛酸钡、锆钛酸铅）制成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应.即压电材料受到与极化方向一致的应力时，在极化方向产生一定的电场强度，且有线性关系；反之，当与极化方向一致的外加电压加在压电材料上时，材料的伸缩形变与电压也有线性关系，比例系数、与材料性质有关.由于

3、与、与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，转变成压电材料的纵向长度伸缩，从而成为超声波的波源；同样也可以把超声波的声压变化，转变为电压的变化，用来接收超声波信号.声波的传播速度与声波频率和波长的关系为（24-1）实验中，声波频率可由信号发生器直接读出，我们只要测出声波波长，就可求出声速.测量的常用方法有共振干涉法和相位比较法.（一）驻波法（共振干涉法）S2S1Y2Y1Y2S2Y1S1HZDH信号源示波器图24-2实验装置如图24-2所示，和是两只相同的压电陶瓷超声换能器，用作发射器

4、，为接收器.低频信号发生器输出的正弦电压信号，接入换能器，将此信号转变为超声波信号，发射出平面超声波.换能器接收到超声波信号后，将它转变为正弦电压信号，接入示波器进行观察.换能器在接收超声波的同时，还反射一部分超声波.这样，由发射的超声波和由反射的超声波，在和端面之间干涉，产生驻波共振现象.（二）相位比较法实验装置如图（24-2）所示，发出的超声信号经空气传播到达接收器，接收的信号与发射的信号之间存在相位差（24-4）本实验中，把发出的信号直接引入示波器的水平输入，并将接收的信号引入示波器垂直输入.

5、这样，对于确定的间距，示波器上将有两个同频率、振动方向相互垂直、相位差恒定的两个振动进行合成，从而形成李萨如图形.连续移动，增大与的间距，可使相位差变化，并依次满足：相应地，示波器将依次显示如图24-3：图24-3因此，当相位差从变化到时，李萨如图形从“/”变化到“”，相应的间距的改变量为；同理，当相位差从变化到时，李萨如图形从“”变化到“/”，相应的间距的改变量也是，由此测得波长.四、实验内容（一）仪器调整1.按图24-2连接声速测试仪、声速测试仪信号源和双踪示波器.注意：发射端波形接口连接示

6、波器EXT接口；接收端波形接口连接示波器CH2通道.2.接通电源后，仪器自动工作在连续波方式，预热5分钟.仪器正常工作后，首先调节声速测试仪信号源的连续波强度和接收增益两旋钮（输出电压在10~15V），并且调整频率调节旋钮（频率在25~45KHz）.3.打开示波器，预热2分钟.调整示波器，在水平方向接入扫描信号，在垂直方向接入接收端波形，并使图形稳定．4.调节信号频率，观察频率调节时接收电压的幅度变化.在某一频率时电压幅度最大，该频率值就是测试系统的共振频率.改变和间距，重复调整，多次测定共振频率，

7、取平均值为实验频率.（二）驻波法测声速1.把信号频率设定为共振频率.2.将移到接近处（不要相接触）.从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动，当示波器上出现振幅最大的波形时，从数显尺（或机械刻度）上读出读数.3.沿同一方向，再次移动，逐个记录振幅最大时的位置，共8个.4.将数据记入表格24-1，并记录实验时的室温.用逐差法处理数据，由下面给出的公式，计算波长、声速和误差：平均值，波长，实验声速，理论声速（是时空气中的声速），相对误差（三）相位比较法测声速1.将信号频率设定为共振频率.2.调整示波器,在水

8、平方向接入发射端波形,在垂直方向接入接收端波形,使示波器上显示出椭圆形李萨如图形.3.缓慢移动，观察示波器屏幕上是否出现直线-椭圆-直线的图形变化.4.从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动，使示波器上出现一正斜率直线“/”（或负斜率直线“”），记下相应的读数.5.移动，逐渐增大间距，使示波器屏幕上交替地出现直线“”和“/”，依次记录其位置，共8个.6.将数据记入表格24-2，并记录实验时的室温.五、注意事项1.仪器使用中，应避免声速测试仪信号源的输出端短路；2.实