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1、超聲波的聲速測定實驗大學物理實驗中心講授內(nèi)容1實驗目的2實驗原理3實驗內(nèi)容4實驗步驟5思考題講授提綱1實驗目的（1）了解超聲換能器的工作原理和功能；（2）學習不同方法測定聲速的原理和技術；（3）熟悉測量儀和示波器的調(diào)節(jié)使用；（4）測定聲波在空氣及水等介質(zhì)中的傳播速度。實驗目的2實驗原理聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的一種機械波。當聲波的振動頻率超過20kHz的時候稱為超聲波，它具有波長短、指向性好等優(yōu)點。超聲波在科學研究、生產(chǎn)、生活中應用非常廣泛，如超聲無損檢測、超聲波測距和定位、測量氣體溫度瞬間變化、測液體流速、測材料彈性模量等等。超聲波在醫(yī)學方面應用非常廣泛，可以對
2、物品進行殺菌消毒。實驗原理2實驗原理超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時就分別發(fā)生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。實驗原理壓電換能器產(chǎn)生超聲波的裝置有機械型超聲發(fā)生器（例如氣哨、汽笛和液哨等）、利用電磁感應和電磁作用原理制成的電動超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應和鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應制成的電聲換能器等。2實驗原理壓電換能器是指利用壓電材料的正逆壓電效應制成的換能器，換能器顧
3、名思義就是指可以進行能量轉(zhuǎn)換的器件。通常我們所說的為電聲換能器，能夠發(fā)射聲波的換能器叫發(fā)射器；用來接收聲波的換能器叫接收器。實驗原理壓電換能器的工作原理2實驗原理即如果在極化方向加上電壓，電場強度的作用下會在極化該方向產(chǎn)生應力，該應力使壓電材料在極化方向的長度伸長或收縮。如果加上的電壓是頻率f超過20kHz的交流電，壓電材料就會產(chǎn)生頻率為f的周期性縱向伸縮，從而壓迫空氣成為超聲波的波源。同樣，也可以使聲壓的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化，用來接收信號。產(chǎn)生超聲波接受超聲波實驗原理2實驗原理測聲波頻率(可通過頻率計測得)測波長用公式因此本實驗的主要任務是測超聲波的波長。υ=
4、λf測超聲波的波長的方法1共振干涉法（駐波法）2相位比較法（行波法）實驗原理2實驗原理共振干涉法（駐波法）當換能器S1與S2的表面平行時，由換能器S1的震動產(chǎn)生的超聲波在S1、S2兩表面之間形成駐波，在接收換能器S2處是振幅的波節(jié)位置（理論推導）、聲壓的波腹位置，即該處位移為零，聲壓最大。當S1、S2的間距滿足一定條件時，出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波現(xiàn)象，此時接收器S2表面的聲壓振幅最大，改變S1、S2的間距，可以測量到一系列的聲壓最大的位置，而這些相鄰位置的間距就是超聲波半波長的大小。實驗原理2實驗原理利用示波器來觀測經(jīng)換能器S2產(chǎn)生的電信號波形，以確定振幅的最大位置。實驗
5、原理2實驗原理相位比較(行波)法測聲速當接收器和發(fā)射器的距離變化等于一個波長時，則發(fā)射與接收信號之間的相位差也正好變化一個周期(即ΔΦ=2π)，相同的圖形就會出現(xiàn)。所以，當準確觀測相位差變化一個周期時接收器移動的距離，即可得出其對應聲波的波長λ，再根據(jù)聲波的頻率，即可求出聲波的傳播速度。實驗原理3實驗內(nèi)容1．測量諧振頻率2．用共振干涉法測波長3．用相位比較法測波長實驗內(nèi)容4實驗步驟1．尋找與測量共振頻率（1）將聲速測試儀輻射換能器電纜接到功率信號源輸出端口，聲速測試儀接收換能器電纜接到示波器CH2端口，調(diào)妥示波器（2）將接收換能器移近輻射換能器，使二換能器表面彼
6、此接近（距離調(diào)到4～5mm）并平行，且表面法線盡可能與接收換能器的移動軸線一致，其表面法線盡可能與接收換能器的移動軸線一致（大部分儀器不必調(diào)）。（3）將信號源功率開關打開，輸出電平調(diào)到10V，頻率在30～40kHz。（4）調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器的頻率，使示波器接收到一定強度的信號，繼續(xù)改變驅(qū)動信號的頻率，使示波器觀察到的電信號幅值最大，此時的頻率即為共振頻率。由頻率計讀出并記下此頻率。其后的測量都要在此頻率下進行，不得再行改變。實驗步驟3．位相比較法測波長其它連線不變，再將信號源的輸出端（50Ω）與示波器CH1相連，將示波器置于X－Y工作方式，固定輻射換能器坐標，連
7、續(xù)移動接收換能器，記錄相繼出現(xiàn)10個相同方向的斜線李薩如圖形時（統(tǒng)一要求用1、3象限的直線）接收換能器所對應的坐標。4實驗步驟4．測量實驗室室溫T（用實驗室門口的酒精溫度計讀數(shù)，禁止手摸酒精泡附近，禁止鼻孔熱氣影響讀數(shù)精度）2．共振干涉法測波長在上述步驟完成之后，固定輻射換能器的位置，連續(xù)移動接收換能器，記錄示波器上波形相繼出現(xiàn)10個極大值所對應的接收換能器的坐標。實驗步驟注意事項1、示波器不顯示駐波：調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出頻率，使頻率處于換能器的共振頻率上。2、駐波圖形太大或太?。赫{(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出振幅、示波器的增益，以獲得合適的圖形。實驗步驟數(shù)據(jù)處理1.逐差
8、法計算波長2.計算超聲波
