声速的测量大学二课件.ppt
一、实验目的,学会测量超声波在空气中的传播速度的方法。,加深对驻波和振动合成等理论知识的理解。,了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。,用相位比较法和共振干涉法测量空气中的声速。,1,声速的测量,二、实验仪器,声速测量仪、示波器、多功能信号发生器、接线等。,2,3,三、实验原理,振动状态在弹性介质中传播形成波，波速完全由介质的物理性质决定。,声波的形成,声波在空气中的传播，是由于空气的压强在平衡位置附近的瞬时起伏在空间激发疏密区，这些疏密区向前传播，从而形成声波。声波是纵波。,4,声波的大小,声音在空气中的传播速度与自身频率无关，比如牛的叫声与蚊子的嗡嗡声，传播速度相同。,三、实验原理,声音在空气中的传播速度只取决于空气本身的性质，理论上,式中 是标准状态下干燥空气中的声速，为绝对温度，为测量时的室温。,5,三、实验原理,本实验所用声速公式,由波动力学原理，可知,其中，相邻疏部（或者密部）之间距离，为波的频率。频率可以由测定信号振动频率获得，波长 可以分别用驻波法和位相法测量。,超声波具有波长短、易于定向发射，而且可以有效避免其它各种声音的干扰，测量精度高的优点，因此本实验采用超声波。,6,超声波与压电陶瓷换能器,压电陶瓷换能器,声 压,电 压,接收信号,电 压,声 压,超声波,前者电转换为声逆压电效应，后者声转换为电正压电效应,三、实验原理,7,波长测量方法,一、共振干涉法（驻波法）测量声速,两个压电陶瓷换能器发射头（电声转换）和接收头（声电转换），面对面平行放置，其端面间距为L。,当 时，两端面产生共振，形成驻波。此时波节处声压最大，转换后电压信号最强。示波器观察到信号振幅达到极大。,移动接收端，可在示波器上看到信号振幅由大到小呈周期变化。因此，测得两个相邻极大值接收端位置之差，即可得到声波波长。,三、实验原理,8,二、相位法测量声速原理,波长测量方法,接收端与发射端之间形成声波场。声波场任意点（如接收端）的振动位相是随时间变化的，但该点与发射端之间的位相差不随时间变化，其位相差为,由于两振动频率相同，可将接收端和发射端两信号分别输入示波器两个通道，进行X、Y轴方向振动合成，当图形为直线时，测出接收端位置，从而可求出声波的波长。,三、实验原理,9,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。,实验准备,四、实验内容,10,1、声速测试仪系统的连接与调试通电后预热15min.，信号源自动工作在连续波方式声速测试仪和信号源及双通道示波器之间的连接如图所示。,图4-3-1 实验装置接线图,实验准备,四、实验内容,11,2、测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点,（1）超声换能器工作状态的调节在100mV500mV之间调节声速测试仪信号源输出电压，在2545kHz之间调节信号频率，通过示波器观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（3440kHz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 f。,实验准备,四、实验内容,12,（2）改变S1和S2之间的距离 选择示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置，再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，共测10次，将数据填入表1并求平均值。,实验准备,四、实验内容,13,(1)将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为。(2)将示波器调到合适工作方式,观察示波器，找到接收波形的最大值。转动声速仪距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化,记录幅度为最大时的距离Li；再向前或者向后沿一个方向移动接收器的位置，当接收波形幅度由大变小，再由小变大，且达到最大时，记录此时的距离 Li1.波长。接收器的位置由主尺刻度、手轮的位置决定。手轮与丝杆相连上分为100分格，每转一周，接收器平移1mm，故手每一小格为0.01mm，可估到0.001mm。,一、驻波法测声速,四、实验内容,（3）连续移动接收器的位置，观测示波器相继出现的极大值，依次在表2中记录游标尺的相应值，用逐差法处理数据。（4）根据，求出声速。,一、驻波法测声速,四、实验内容,15,二、相位比较法（李萨如图形）测量波长,（1）将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为。（2）首先，置示波器于双踪显示功能，观察发射和接收信号波形，转动距离调节鼓轮，至接收信号幅度达最大值时的位置。调节示波器CH1、CH2衰减灵敏度旋钮、信号源发射强度、接收增益，令两波形幅度几乎相等，观察两波形曲线间的关系。（3）然后，置示波器于XY功能方式，这时观察到的李萨如图形为一斜线，否则可微调声速仪的鼓轮实施之，记录下此时的距离Li。,四、实验内容,16,二、相位比较法（李萨如图形）测量波长,（4）单向转动调节鼓轮，改变换能器之间的距离。当移动一个波长时，观察到波形又返回前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器S2的振动波形发生了2相移，记录此时的距离 Li1。即：波长。（5）多次测定，依次在表3中记录游标尺的相应值，并用逐差法处理数据。（6）根据，求出声速。,四、实验内容,17,实验中信号发生器和示波器各起什么作用？,实验中为什么要在压电换能器谐振状态下测量空气的声速？,本实验采用逐差法处理数据有什么好处？,实验前为什么要调整测试系统的谐振频率？如何进行调整？,实验中为什么要记录室温？,五、课后思考,六、注意事项,测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，以避免空程误差。,电源接通时，两超声换能器不得接触。,计算空气中声速的百分偏差时，空气中的声速理论值由温度压强等计算。,
