超声波测量声速课件.ppt

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1、超声波的声速测定实验大学物理实验中心讲授内容1实验目的2实验原理3实验内容4实验步骤5思考题讲授提纲1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等介质中的传播速度。实验目的2实验原理声波是在弹性媒质中传播的一种机械波。当声波的振动频率超过20kHz的时候称为超声波，它具有波长短、指向性好等优点。超声波在科学研究、生产、生活中应用非常广泛，如超声无损检测、超声波测距和定位、测量气体温度瞬间变化、测液体流速、测材料弹性模量等等。超声波在医学方面应用非常广泛，可以对

2、物品进行杀菌消毒。实验原理2实验原理超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。实验原理压电换能器产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。2实验原理压电换能器是指利用压电材料的正逆压电效应制成的换能器，换能器顾

3、名思义就是指可以进行能量转换的器件。通常我们所说的为电声换能器，能够发射声波的换能器叫发射器；用来接收声波的换能器叫接收器。实验原理压电换能器的工作原理2实验原理即如果在极化方向加上电压，电场强度的作用下会在极化该方向产生应力，该应力使压电材料在极化方向的长度伸长或收缩。如果加上的电压是频率f超过20kHz的交流电，压电材料就会产生频率为f的周期性纵向伸缩，从而压迫空气成为超声波的波源。同样，也可以使声压的变化转变成电压的变化，用来接收信号。产生超声波接受超声波实验原理2实验原理测声波频率(可通过频率计测得)测波长用公式因此本实验的主要任务是测超声波的波长。υ=

4、λf测超声波的波长的方法1共振干涉法（驻波法）2相位比较法（行波法）实验原理2实验原理共振干涉法（驻波法）当换能器S1与S2的表面平行时，由换能器S1的震动产生的超声波在S1、S2两表面之间形成驻波，在接收换能器S2处是振幅的波节位置（理论推导）、声压的波腹位置，即该处位移为零，声压最大。当S1、S2的间距满足一定条件时，出现稳定的驻波现象，此时接收器S2表面的声压振幅最大，改变S1、S2的间距，可以测量到一系列的声压最大的位置，而这些相邻位置的间距就是超声波半波长的大小。实验原理2实验原理利用示波器来观测经换能器S2产生的电信号波形，以确定振幅的最大位置。实验

5、原理2实验原理相位比较(行波)法测声速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。所以，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。实验原理3实验内容1．测量谐振频率2．用共振干涉法测波长3．用相位比较法测波长实验内容4实验步骤1．寻找与测量共振频率（1）将声速测试仪辐射换能器电缆接到功率信号源输出端口，声速测试仪接收换能器电缆接到示波器CH2端口，调妥示波器（2）将接收换能器移近辐射换能器，使二换能器表面彼

6、此接近（距离调到4～5mm）并平行，且表面法线尽可能与接收换能器的移动轴线一致，其表面法线尽可能与接收换能器的移动轴线一致（大部分仪器不必调）。（3）将信号源功率开关打开，输出电平调到10V，频率在30～40kHz。（4）调节低频信号发生器的频率，使示波器接收到一定强度的信号，继续改变驱动信号的频率，使示波器观察到的电信号幅值最大，此时的频率即为共振频率。由频率计读出并记下此频率。其后的测量都要在此频率下进行，不得再行改变。实验步骤3．位相比较法测波长其它连线不变，再将信号源的输出端（50Ω）与示波器CH1相连，将示波器置于X－Y工作方式，固定辐射换能器坐标，连

7、续移动接收换能器，记录相继出现10个相同方向的斜线李萨如图形时（统一要求用1、3象限的直线）接收换能器所对应的坐标。4实验步骤4．测量实验室室温T（用实验室门口的酒精温度计读数，禁止手摸酒精泡附近，禁止鼻孔热气影响读数精度）2．共振干涉法测波长在上述步骤完成之后，固定辐射换能器的位置，连续移动接收换能器，记录示波器上波形相继出现10个极大值所对应的接收换能器的坐标。实验步骤注意事项1、示波器不显示驻波：调节信号发生器的输出频率，使频率处于换能器的共振频率上。2、驻波图形太大或太小：调节信号发生器的输出振幅、示波器的增益，以获得合适的图形。实验步骤数据处理1.逐差

8、法计算波长2.计算超声波