超声波声速的测量.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,声速的测量,制作：封玲,目 录,二、实验目的,三、实验原理,1,、谐振频率的测量,2,、声速测量的方法,）共振干涉法,）相位比较法,一、声波研究的应用,四、实验内容,五、实验仪器介绍,1.,声速,测量仪（压电陶瓷换能器）,2.,示波器,3.,信号发生器,六、思考题,一、声波研究的应用,1,、声波的特点,2,、声速测量的目的,3,、声速测量的发展,1,、声波的特点,频率在,20,20000Hz,的声振动在弹性媒质中所激起的纵波称声波，声波是一种机械波。频率超过,20000Hz,的声波称为超声波。,次声波指的是频率在,0.0001,赫兹至,20,赫兹之间的波。,声波的频率、波长、速度、相位等是其重要特性。,在标准状态下，,0,C,时，声速为,v,o,331.45m,s,，,显然在,t,C,时，干燥空气中声速的理论值应为,由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是不同的。,声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决于空气本身的性质（如同弦上横波的传播速度与弦的振动频率无关，取决与弦线的张力与线密度），,因此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。,-,绝热系数，,R-,摩尔气体常数，,-,空气分子的摩尔质量，,T,-,绝对温度,2,、声速测量的目的,声学测量和分析是人们认识声学问题本质的一种,手段。通过必要的测量和分析可以对声学有定量概念，从而了解其规律性。,声速与传声媒质的特性及状态有关，例如液体和固体的弹性模量与密度的比值一般比气体大，其中的声速也较大。通过对超声波声速的测量，可以了解被测媒质的特性及状态的变化，在工业生产上具有一定的实用意义，如测量气体或溶液的浓度、以及输油管中不同油品的分界面等等。此外，声速的测量在声波探伤、定伤、测距、显示等方面也有着重要的意义。,3,、声速测量的发展,二十世纪以来，声学测量技术发展很快目前声学,仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动,态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响应等。,过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表，,测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现,了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了测量时读数的,准确度。由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成,电路的发展，人们已能用由微处理机控制的自动测量代替,逐点测量，使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可,以用微计算机实时运算。,以微处理机为中心的测量仪器，不但实现了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里叶换算法从而实现了实时分析。同时也出现了一些新的声学测量和分析方法，例如实时频谱分析，声强测量，声源鉴别，瞬态信号分析，相关分析等。,今后声学测量的任,务是采用新的测量技术，提出新的测量力法，使用自动化数字式仪器，以提高测量的淮确度和速度。,回顾历史，可以看到，在发展经典声学的过,程中，许多研究工作是直接用人耳来听声音的。直到本世纪，发展了无线电电子学，才使声波的测量采用了电声换能器和电子测量仪器。,1.,理解压电陶瓷换能器的工作原理；,2.,掌握使用共振干涉法和相位比较法测量声波波速；,3.,学习使用示波器进行信号接受和相位比较；,4.,了解声波研究的应用。,二、实验目的,压电陶瓷换能器工作原理,本实验所使用的压电陶瓷换能器，一个是用来产生机械振动并在空气中激发出超声波；另一个用来接收振动，同时在电输出端产生相应的电信号。压电系统有一谐振频率，系统工作在谐振频率时，产生机械谐振，此时得到的电信号最强。,三、实验原理,正压电效应：,当压电材料受到与极化方向一致的应力,T,的作用而变形时，其内部就产生极化现象，在它的两个表面上就带有符号相反的电荷，在极化方向上产生一定的电场强度,E,，且具有线性关系：,E=,T,；当力方向改变时，电荷的极性也随着改变；当外力去掉后，它又重新恢复不带电时的状态。,压电式传感器工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。,逆压电效应：,当在压电材料的极化方向施加与极化方向一致的外加电压,U,，这些材料会产生伸缩形变，且与,U,有线性关系：,S=,dU,；若施加交变电场，则介质因形变而振动。,1,、压电陶瓷换能器谐振频率的调节,根据示波器显示的波形幅度确定换能器（发射端）激励信号频率。,改变信号发生器的频率时，看到,参数测量：,谐振频率：,室温：,四、实验内容,2,、声速测量的方法,本实验是对超声波波速的测量。测量声速最简单、最有效的方法之一是利用声速,v,、,振动频率,f,和波长,之间的基本关系，即,测量波长,有两种方法：,）相位比较法,）共振干涉法,本实验在换能器谐振状态下进行声速的测量，振动频率,f,即为所用换能器的谐振频率,1,）相位比较法,波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同,即同相,(,相位差为,0,或者说其相位差为,2,的整数倍,),，两点间的距离,l,应等于波长,的整数倍，即,(n,为正整数,),利用这个公式可测量波长。,注：声波是纵波，图以横波示例，为清楚说明物理量的关系。,位相比较法测声速装置示意图,相位比较法接线图,示波器,CH1,和,CH2,分别接换能器发射端和接收端，示波器的,“扫描信号周期”选择“,X-Y”,档，当改变换能器之间的距离时,相位比较法信号输出,两个同斜率直线所对应的换能器间距为一个波长,。,两路电信号的合成,李萨如图形,当两路信号同时输入示波器时，荧光屏上将显示两个同频率相互垂直的简谐振动的叠加图,李,萨如图,两路信号相位差为,/4,。,两路信号相位差为,0,或,2,整数倍。,相位比较法数据处理,（,1,）记录半波长数据,李萨如图形,接受头位置,10,11,12,卡尺读数（,cm,）,接收头位置,接收头位置,(cm),（,cm,）,（,cm,）,（,cm,）,（）使用逐差法处理数据,2,）共振干涉法,共振干涉法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射,并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。,由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处于波腹，此时产生的电信号最强。,返,共振干涉法接线图,共振干涉法测声速装置示意图,将压电陶瓷换能器的接收端接入示波器的,CH1,CH2,通道，,当改变换能器之间的距离时,共振干涉法信号输出,共振干涉法数据处理,参照相位比较法自拟,五、实验仪器,本实验使用的仪器主要有：声速测量仪、信号发生器和示波器。,声速测量仪,由压电陶瓷,换能器,（声压与电压之间的转换）、带有标尺的底座和读数装置（波长的测量）组成；,信号发生器,用来产生超声波；,示波器,用来观察超声波的振幅、相位和频率。,超声声速测量仪,使用超声声速测量仪进行测量时注意避免空程差,.,示波器面板,开关,图形水平调节,图形垂直调节,图形垂直调节,亮度,聚焦,INPUT,输入调至,AC/DC,INPUT,输入调至,AC/DC,触发,MODE,选择,AUTO,调节,“,触发电平,”,使信号波形稳定,“扫描信号周期”“,X-Y”,档,CH1,信号振幅调节,CH2,信号振幅调节,开关,示波器面板,信号发生器,频率范围选择,信号输出,频率微调,开关,1,在共振法中，示波器不能显示接收换能器的输出波形，但连线无误，仪器和导线无故障，你估计有哪些原因造成？应当如何处理？,2,在各种不同的介质中声速是否相同？请设计一个方案测量超声波在水、油或其他液体中的声速,.,六、思 考 题,谢 谢,物理教学实验中心,