超聲聲速的測量.doc

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1、實(shí)驗(yàn)16超聲聲速的測量（一）講課提綱（1）測量波的傳播速度的方法。從測量物體的運(yùn)動速度的實(shí)驗(yàn)引入，相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證牛頓第二定律，研究彈簧振子的振動規(guī)律，物體運(yùn)動速度的測量方法，測量位移和時間，平均速度，瞬時速度，這是測量速度的基本方法之一，從粒子的觀點(diǎn)來測量速度。（2）根據(jù)波動力學(xué)知識，波的傳播速度與波長及頻率有著非常簡潔的關(guān)系，，這種簡潔的關(guān)系為波的傳播速度的測量提供了非常有力的途徑，這是測量速度的另一種基本方法，從波動的觀點(diǎn)來測量速度。通過測量波長和頻率來測量波的傳播速度，一般頻率很容易確定和測量，關(guān)鍵是測量波長。（3）測量波長的方法有

2、很多，相關(guān)實(shí)驗(yàn)，光柵衍射測量波長，邁克爾遜干涉儀，電子衍射等，這些是通過干涉或衍射的方法測量波長。我們今天的實(shí)驗(yàn)再給大家介紹兩種測量波長的方法，駐波法和相位比較法。這兩種方法與干涉和衍射方法不同之處是比較適合于測量波長較長的波，實(shí)現(xiàn)起來簡單容易，測量方便。（4）駐波法測量波長，就要實(shí)現(xiàn)駐波，駐波實(shí)際上也是相干疊加的結(jié)果。駐波實(shí)現(xiàn)條件，入射波和反射波相干疊加并且發(fā)射面和發(fā)射面之間的距離正好等于半波長的整數(shù)倍，實(shí)現(xiàn)駐波。一旦實(shí)現(xiàn)駐波，不再是一個波動的表達(dá)式而是一個振動的表達(dá)式，各個質(zhì)元的振動狀態(tài)就完全確定。極大值的地方始終是極大值，極小值的地

3、方始終是極小值。極大值的地方稱為波腹，極小值的地方稱為波節(jié)。波腹和波腹或者波節(jié)和波節(jié)之間的距離就是半個波長。實(shí)現(xiàn)了駐波，測量出波腹和波腹或者波節(jié)和波節(jié)之間的距離，也就測量出了波長。（5）相位比較法測量波長就更簡單了，我們知道，波的傳播是振動狀態(tài)的傳播，是能量的傳播，是相位的傳播。也就是說相位隨著傳播距離不斷變化。當(dāng)傳播距離是波長的整數(shù)倍時，相位的變化正好是2π的整數(shù)倍。換句話說，相位每變化2π一個周期，傳播距離正好變化一個波長λ。如果我們通過某種方法觀察相位2π一個周期時，測量出傳播距離的變化，就是一個波長。（6）我們今天的實(shí)驗(yàn)是測量聲波

4、的傳播速度，所以稱為聲速的測量。要想測量聲速，就要實(shí)現(xiàn)聲波，就要有聲源。常用的聲源就是大家熟知的揚(yáng)聲器，喇叭，日常生活中使用非常多。但是，我們今天使用的不是聲波而是超聲波，聲源是壓電陶瓷換能器。壓電陶瓷元件可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力和電信號相互轉(zhuǎn)換，當(dāng)兩端加上電信號時產(chǎn)生壓力；當(dāng)兩端加上壓力時產(chǎn)生電信號。壓電陶瓷換能器，這個名詞大家聽起來可能陌生，但壓電陶瓷這種元件的在日常生活中的應(yīng)用大家一點(diǎn)也不陌生，比如家庭燃?xì)庠畹碾娮哟蚧鹧b置，氣體打火機(jī)的點(diǎn)火裝置，采用的都是壓電陶瓷元件，這些應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)壓力到電的轉(zhuǎn)換。我們今天壓電陶瓷的兩個方向轉(zhuǎn)換都用到了。壓

5、電陶瓷換能器作為超聲波發(fā)射時，兩端加上變化的電信號，壓力變化，產(chǎn)生振動，帶動周圍空氣振動，產(chǎn)生超聲波向外發(fā)射；作為超聲波接受時，聲波作用在壓電陶瓷元件上，有聲壓，壓力作用，產(chǎn)生變化的電信號，通過測量變化的電信號就可以知道聲波的變化情況。這也是非電量電測技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)智能化測量的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代測量技術(shù)的基礎(chǔ)。（7）今天我們的實(shí)驗(yàn)怎么樣通過駐波法和相位比較法測量波長，下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器具體說明。（8）我們今天的實(shí)驗(yàn)儀器也非常整裝，只有三個儀器。（9）函數(shù)信號發(fā)生器，實(shí)際上就是一個交流電源，只不過輸出波形和頻率范圍比一般的交流電源多和廣。輸出波形有

6、正弦波、鋸齒波、矩形波（方波），我們測量使用正弦波，測量使用的頻率在30~40kHz，所以頻率量程選用100kHz，有5個旋鈕，今天只使用左邊的3個，右邊的兩個逆時針旋到最小。左邊第一個是電源開關(guān)和輸出電壓大小調(diào)節(jié)，順時針旋轉(zhuǎn)，輸出電壓增大。實(shí)驗(yàn)時輸出電壓不能太小，也不要調(diào)節(jié)到最大。左邊第二個頻率細(xì)調(diào)，第三個頻率粗調(diào)。（10）示波器，示波器的使用，我們一層次有這個實(shí)驗(yàn)，做過的同學(xué)可能比較熟悉了，沒有做過的同學(xué)正好就今天的機(jī)會補(bǔ)習(xí)一下。我們使用的是最簡單的二蹤示波器，屏幕右邊的旋鈕是將示波器調(diào)整到工作狀態(tài)的，左邊是與測量輸入有關(guān)的。有Y1和

7、Y2兩路輸入，Y1輸入的位移旋鈕拉出是X輸入。（11）聲速測量儀，主要有兩部分組成，第一部分，發(fā)射和接受換能器，發(fā)射和接受超聲波；第二部分游標(biāo)卡尺，測量發(fā)射面與接受面之間的距離。（12）測量時Y1輸入接受換能器信號，Y2輸入發(fā)射信號。測量時首先調(diào)整諧振頻率，使信號源的輸出頻率等于換能器的固有頻率，產(chǎn)生共振，發(fā)射超聲波最強(qiáng)，接受到電信號也最強(qiáng)，在示波器上波形幅值最高。駐波法測量，移動接受面找波節(jié)位置，示波器上波形幅值極大值時的位置，測量兩個極大值之間的讀數(shù)差。采用累加放大測量法測量，10個半波長一測，測量5次。（13）駐波法是兩個相互平行的

8、振動的疊加；相位比較法是通過李薩如圖來觀察相位的變化，李薩如圖的形成是兩個相互垂直的振動的疊加。因此，發(fā)射和接受一個是X輸入，另一個是Y輸入。由于發(fā)射和接受信號的頻率相同，李薩如圖是簡單橢圓，