山东大学：空间科学与技术教学资源（实验课件）声速的测定

实验八声速的测定声波是一种在弹性媒质中传播的纵波，频率在20-20KHZ之间的声波叫可听声波。低于20HZ的声波叫次声波。频率高于20KHZ叫超声波。因超声波具有方向性好，穿透本领大，在液体、固体中传播时，衰减很小等特性。因此，对气体、液体的浓度，固体材料弹性模量、气体温度瞬间变化进行分析和测定有着广泛的应用价值。本实验仪器主要测量超声波在空气中传播速度[实验目的]1、了解超声波的产生和接收原理，测量声波在空气、固体、液体中的传播速度2、加深对相应的概念和波的干涉，振动合成原理的解释

实验八 声速的测定 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波，频率在20-20KHZ之间 的声波叫可听声波。低于20HZ的声波叫次声波。频率高于20KHZ 叫超声波。因超声波具有方向性好，穿透本领大，在液体、固体 中传播时，衰减很小等特性。因此，对气体、液体的浓度，固体 材料弹性模量、气体温度瞬间变化进行分析和测定有着广泛的应 用价值。本实验仪器主要测量超声波在空气中传播速度 [实验目的] 1、了解超声波的产生和接收原理，测量声波在空气、 固体、液体中的传播速度。 2、加深对相应的概念和波的干涉，振动合成原理的解 释

[仪器介绍]SV-DH声速测试仪为测量空气、液体、固体中声波传播速度的专用仪器，是振动与波、压电陶瓷应用、示波器应用和声纳技术应用的一个好实验。1、SV-DH声速测试仪是由声速测试仪和声速测试仪信号源二个部分组成，声速测试仪如图1所示。SV-DH声速测试仪中配对压电陶瓷换能器：谐振频率35.3kHz：可承受的连续电功率不小于15W。两换能器之间测试距离：50280mm（支架式）一皮管数显表头数显尺杆一数轮K施体进出通道换能器52浪能界S1测试槽堡螺杆图 1

[仪器介绍] ❖ SV-DH声速测试仪为测量空气、液体、固体中声波传播速度 的专用仪器，是振动与波、压电陶瓷应用、示波器应用和声 纳技术应用的一个好实验。 ❖ 1、SV-DH声速测试仪是由声速测试仪和声速测试仪信号源 二个部分组成，声速测试仪如图1所示。SV-DH声速测试仪 中,配对压电陶瓷换能器：谐振频率,35.3kHz；可承受的连续 电功率不小于15W。两换能器之间测试距离：50～ 280mm(支架式)

2.CHH型综合声速测试仪信号源功率信号源：频率范围：25kHz~45kHz：最大输出电压：18VP-P最大输出功率：5W：频率显示：5位LED数字显示：脉冲调制信号源信号频率：36.5kHz：脉冲宽度：200us：脉冲周期：8ms：计数定时器计数定时范围：1us~1s：分辨率：1us：空气和液体切换测量3、压电陶瓷换能器超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20-60kHz之间。在此频率范围，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器正负电极片图2纵向换能器的结构简图辐射头后盖反射板压电陶瓷片圆 2

２．CHH型综合声速测试仪信号源 功率信号源：频率范围：25kHz～45kHz；最大输出电压：18VP-P 最大输出功率：5W；频率显示：5位LED数字显示；脉冲调制信号源信 号频率：36.5kHz；脉冲宽度：200μs；脉冲周期：8ms；计数定时器： 计数定时范围：1μs～1s；分辨率：1μs；空气和液体切换测量。 3、压电陶瓷换能器 超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易 于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20-60kHz 之间。在此频率范围，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收 器效果最佳。压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动） 换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所 用的大多数采用纵向换能器。 图２纵向换能器的结构简图

TIME/DIVTRIGIN-A250120XOOVPAMAPOWER10SWPVARPOSITIONMODESOURCELEVELDATOPLEIPUOX10 MAGCHIOWCH20INTENSETYWAEPULENSBAOMAEHLESGANMDDEVOLTSDIVVOLTS/DIVATDOPOSITIONPOSITIONFOCUSAALMMERTDINTTRIGDINPUTINPUTXGVPANACAESVYUANLONGOSCILLOSCOPE V-252 20MHZ示波器示意图

示波器示意图

【原理声波的传播速度v与声波频率v和波长入的关系为：(1)V=2/因此，在实验中测出声速的频率和波长，即可求出声速。式中声源的频率就是低频信号发生器的输出频率。而声速的波长常用共振干涉法（驻波法）、相位比较法（行波法）和时差法来测量共振干涉法（驻波法）测量声速SV-DH声速测试仪如图1所示，S1作为声波发射器它由信号源供给频率为数于周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波：而S2则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，经过信号处理后，输入示波器。我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接受的声波和发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同，且在同一线上沿相反方向传播二者在S1与S2区内产生了波的干涉，形成驻波波束1（S1端发射）J=Acos(ot-2元沿k正向向右传播，波束2（S2端发射）：y2=Acos(ot+2尚它们相交会时，叠加后的波形为波束3：，=2Acos(2元这男为壳波的角频率，t为经过的时间，x为两换能器之间的距离

[原理] 声波的传播速度ν与声波频率和波长 的关系为： . （1） 因此，在实验中测出声速的频率和波长，即可求出声速。式中声源的频率就是 低频信号发生器的输出频率。而声速的波长常用共振干涉法（驻波法）、相位比较 法（行波法）和时差法来测量。  = 一 、 共振干涉法（驻波法）测量声速 SV-DH声速测试仪如图1所示，S1作为声波发射器它由信号源供给频率为 数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的 接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，经过信号处理后，输入 示波器。我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在 接收声波的同时还能反射一部分超声波，接受的声波和发射的声波振幅虽有 差异，但二者周期相同，且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1与S2区内 产生了波的干涉，形成驻波。 波束1（S1端发射）： ，沿ｘ正向向右传播，波束２ （S2端发射）： ,当它们相交会时，叠加后的 波形为波束３： 这里ω为声波的角频率，ｔ为经过的时间，x为两 换能器之间的距离。 y1 = Acos(t − 2x / y2 = Acos(t + 2x / y 2Acos(2x / )cost 3 =

季当COs2元或时2元在=k元Hk=-123...........（1）位置上21声振幅最大称波腹。当2元=（2k-在=123-1COS2元声振幅为零称波节。两相邻波腹（波节）间的距离均为，如图3所示一接收到的信号幅度包络曲线入/2发射换能器与接收换能器之间距高图3相位比较法声波在传播过程中，相位会产生变化。即对于：J=Acos(ot-2被束）设声源发生器S1发出的发射波和接收器S接收的波之间产生的相位差为===2元（3）1信号发生器输出的信号y直接接入示波器的x轴上，即，x,=Acos(ot-2元x/a）这两个信号频率相同，且相互垂直，当相差变化时，在示波器中进行合成，形成如下李萨如图形，如图4所示

当 ，或 时，在 ，k=1,2,3.（1）位置上， 声振幅最大称波腹。当 , , 在k=1,2,3.， 声振幅为零称波节。两相邻波腹（波节）间的距离均为 ，如图3所示。 cos 2 = 1   x    k x 2 = 2  x = k cos 2 = 0   x 2 2 2 1    =（ k − ） x 4 2 1  x =（ k − ） 2  二、 相位比较法 声波在传播过程中，相位会产生变化。即对于： 波束, 设声源发生器Ｓ１发出的发射波和接收器Ｓ2接收的波之间产生的相位差为 .（3） 信号发生器输出的信号y2直接接入示波器的x轴上，即， 这两个信号频率相同，且相互垂直，当相差变化时，在示波器中进行合成，形 成如下李萨如图形，如图4所示。      X  = 2 − 1 = 2 cos( 2 / ) y1 = A t − x  cos( 2 / ) x1 = A t − x 

三，时差法测量原理n经脉冲调制后，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L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。如图5速度V=距离L/时间t8=0B=1/46=3n/48=#8=1/2图 4发射换能器波形接收换能器波形图5AL实际应用公式V=At

三．时差法测量原理 经脉冲调制后，声波在介质中传播，经 过ｔ时间后，到达Ｌ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。如图5 速度Ｖ＝距离Ｌ/时间ｔ 实际应用公式 t L v   =

[实验内容]实验仪器的准备与调试声速测试仪系统的连接与试运行。在通电后，自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态，预热15min。2.连接装配（如图6所示）3：测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出电压（10-15V之间）调整信号频率（在25-45kHz）观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5kHz一37.5kHz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相匹配频率点，记录频率f改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重复调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率EC.HH信号源示波器YY图6

[实验内容] 一、实验仪器的准备与调试 １．声速测试仪系统的连接与试运行。在通电后，自动工作在连续波方式，选择 的介质为空气的初始状态，预热15min。 ２．连接装配（如图６所示）。 ３．测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点 超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节声速测 试仪信号源输出电压（10-15V之间），调整信号频率（在25-45kHz），观察频率调 整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5kHz—37.5kHz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 配频率点，记录频率fN ,改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重复调整，再次测定 工作频率，共测５次，取平均频率

二，共振干涉法（驻波法）测量波长将测试方法设置到连续波方式。设定最佳工作频率，观察示波器，找到接收波形的最大值。然后，转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化记录幅度为最大时的数显尺的数值L，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录此时的距离L+1即波长元,=21Li+1-L,1，多次测定用逐差法处理数据三：相位比较法（李萨如图法）测量波长将测试方法设置到连续波方式。设定最佳工作频率，观察示波器，转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记录下此时的距离L-1，距离由数显尺上直接读出，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形文回到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2T相移，记录此时的距离Li。即波长入，=L，一L-，多次测定用逐差法处理数据

二．共振干涉法（驻波法）测量波长 将测试方法设置到连续波方式。设定最佳工作频率，观察示波器，找到接收波 形的最大值。然后，转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化,记录幅度为 最大时的数显尺的数值Li ，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，当接 收波经变小后再到最大时，记录此时的距离Li+1，即波长 ，多次 测定用逐差法处理数据。 2 | | i = Li+1 − Li 三．相位比较法（李萨如图法）测量波长 将测试方法设置到连续波方式。设定最佳工作频率，观察示波器，转动距离调节 鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记录下此时的距离Ｌi-1,距离由数显尺上直接 读出，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形又回到前面 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２π相移，记录 此时的距离Li。即波长 i =| Li − Li−1 | ，多次测定用逐差法处理数据

四：相位法干涉法的声速计算已知波长入i和平均频率vi，则声速Vi=入iXvi。因声速还与介质温度有关，故请记下介质温度t℃。五、时差法测量声速将测试方法设置到脉冲波方式。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300～400mV左右（峰一峰值），使定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L-1、ti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。记录下这时的距离值和显示的时间值L、t。则声速：V=(L-L-)/(t-t-)

五、时差法测量声速将测试方法设置到脉冲波方式。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300～400mV左右（峰－峰值），使定时器工作在最佳状 态。然后记录此时的距离值和显示的时间值Li-1、t i-1。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。记录下这时的距离值和显示 的时间值Li、t i。则声速：Vi =(Li -Li-1 )/(ti -t i-1 )。 四．相位法/干涉法的声速计算 已知波长λi和平均频率i，则声速Vi=λi ×  i。因声速还与介质温度 有关，故请记下介质温度ｔ℃