位相法測(cè)聲速

《位相法測(cè)聲速》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

1、位相法測(cè)聲速物理實(shí)驗(yàn)制作人:劉穎剛劉欽朋1聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，聲波的測(cè)量在定位、探傷、測(cè)距等應(yīng)用中具有十分重要的意義。測(cè)量中使用的聲波一般是超聲波，因?yàn)槌暡ň哂休^高頻率,受低頻影響小,可以定向傳播的機(jī)械波。聲波頻率超過(guò)20kHz的聲波稱(chēng)為超聲波。頻率在20Hz-20kHz的聲波稱(chēng)為可聞聲波。聲波頻率低于20Hz的聲波稱(chēng)為次聲波。2一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?shí)驗(yàn)儀器三、實(shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)步驟五、注意事項(xiàng)六、問(wèn)題主要內(nèi)容3一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)用位相法測(cè)量超聲波在空氣中傳播聲速2、了解壓電換能器的功能3、進(jìn)一步熟悉示波器的使用4、進(jìn)一步學(xué)習(xí)用逐差法處理數(shù)據(jù)4二、實(shí)驗(yàn)儀器信號(hào)發(fā)生

2、器、聲速測(cè)定儀、示波器、溫度計(jì)5信號(hào)發(fā)生器提供一定頻率的信號(hào)，使之等于系統(tǒng)的諧振頻率6主要部件是兩個(gè)壓電陶瓷換能器和一個(gè)游標(biāo)卡尺超聲聲速測(cè)定儀7聲速測(cè)定儀聲速測(cè)定儀主要由兩只相同的壓電陶瓷換能器A和B所組成，壓電陶瓷換能器是將聲波和電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的裝置。將A作為超聲源，它與低頻信號(hào)發(fā)生器相連接，將電能轉(zhuǎn)化為聲能，即從發(fā)射頭的平面端產(chǎn)生的聲波在空氣中形成平面縱波；B作為反射面，同時(shí)也是接收端，把聲能轉(zhuǎn)化為電能，接收端與示波器相連，就可對(duì)接收端的聲壓信號(hào)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。A和B間的距離可調(diào)，通過(guò)儀器上的游標(biāo)卡尺測(cè)定。8示波器示波器的x,y軸輸入各接一個(gè)換能器，示波器上顯示出李薩如圖形9三、

3、實(shí)驗(yàn)原理超聲波在空氣中傳播速度ν與其頻率f和波長(zhǎng)λ之間有如下關(guān)系：ν＝fλ超聲波頻率為聲源振動(dòng)頻率，可從低頻信號(hào)發(fā)生器頻率顯示數(shù)據(jù)讀出。波長(zhǎng)是通過(guò)李薩如圖形來(lái)求出,相位差每變化π即距離變化半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，李薩如圖形從斜率為正（負(fù)）的直線(xiàn)變?yōu)樨?fù)（正）的直線(xiàn)。101、駐波的產(chǎn)生駐波：頻率相同、振幅相同和振動(dòng)方向相同而傳播方向相反的兩列波在同一直線(xiàn)上疊加形成的波。駐波某些點(diǎn)的振動(dòng)始終加強(qiáng)，其振幅是兩列行波的振幅之和，這些點(diǎn)稱(chēng)為波腹；而另一些點(diǎn)的合振幅為零，這些點(diǎn)稱(chēng)為波節(jié)。相鄰兩波節(jié)或兩波腹間的距離就是半個(gè)波長(zhǎng)。S1S2波節(jié)波腹λ/2圖中S1和S2之間的距離為nλ/2時(shí)才能形成駐波。11入

4、射波振動(dòng)方程反射波振動(dòng)方程合成波為對(duì)應(yīng)于的各點(diǎn)為波腹,對(duì)應(yīng)于的各點(diǎn)為波節(jié),由上式知相鄰波腹或者波節(jié)之間的距離為半波長(zhǎng)12駐波場(chǎng)中空氣質(zhì)點(diǎn)位移圖像不能直接觀(guān)察到，但是由質(zhì)點(diǎn)位移引起的聲壓卻可以通過(guò)儀器加以觀(guān)測(cè)。聲壓就是空氣中由于聲擾動(dòng)而引起的超出靜態(tài)大氣壓強(qiáng)的那部分壓強(qiáng)，根據(jù)聲學(xué)理論，聲壓駐波可表示為其中ρ0為空氣的靜態(tài)密度。k=2π/λ為波數(shù),l為發(fā)射換能器與接受換能器的距離.通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，聲場(chǎng)中空氣質(zhì)點(diǎn)為波腹的地方，聲壓為波節(jié)；而聲場(chǎng)中空氣質(zhì)點(diǎn)位移為波節(jié)的地方，聲壓為波腹。壓力位移壓力位移xyo13形成駐波后的反射面處(x=l)，空氣質(zhì)點(diǎn)的位移恒為零，此處的聲壓恒為波腹，聲壓

5、振幅為當(dāng)聲波與反射面之間的距離l改變時(shí)，反射面處的聲壓振幅也隨之改變，其數(shù)值在極大值與極小值間周期變化，滿(mǎn)足反射處聲壓振幅的大小可通過(guò)示波器觀(guān)測(cè)到，隨l周期性變化可以從示波器上觀(guān)察。142、相位法測(cè)聲速的原理李薩如圖形：由兩個(gè)相互垂直的簡(jiǎn)諧振動(dòng)疊加形成。相位法是指比較發(fā)射換能器聲壓p(0)與接收換能器反射處的聲壓p(l)的位相來(lái)測(cè)定聲速的方法。p(l)的位相總比p(0)的位相落后kl，分別將聲源和反射處的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后接到示波器的x軸和y軸上去，可以看到李薩如圖形。實(shí)驗(yàn)中由于輸入示波器的是頻率嚴(yán)格一致的兩個(gè)信號(hào)，因此李薩如圖形般是一穩(wěn)定的橢圓。當(dāng)相位差為0或π時(shí)，橢圓變

6、為傾斜的直線(xiàn)。測(cè)量時(shí)選擇判斷比較靈敏的直線(xiàn)形進(jìn)行測(cè)量。以某一個(gè)直線(xiàn)位置作為測(cè)量的起點(diǎn)，相位差每變化π即距離變化半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，李薩如圖形從斜率為正（負(fù)）的直線(xiàn)變?yōu)樨?fù)（正）的直線(xiàn)。15聲波在彈性介質(zhì)中傳播的速度不僅由介質(zhì)的物理性質(zhì)決定，而且還與溫度有密切關(guān)系。聲波在理想氣體中的傳播速度為：γ-比熱容比，R-摩爾氣體常數(shù)，μ-空氣分子的摩爾質(zhì)量，T-絕對(duì)溫度在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0oC時(shí)，聲速為vo＝331.45m／s，顯然在t℃時(shí)，干燥空氣中聲速的理論值應(yīng)為:在溫度為t℃,相對(duì)濕度為r的空氣中聲速為:16四、實(shí)驗(yàn)步驟1、按圖示接好線(xiàn)路172、調(diào)節(jié)兩換能器端面平行且鉛直，然后鎖定。3、調(diào)節(jié)諧振

7、頻率調(diào)節(jié)兩換能器間有適當(dāng)距離，改變信號(hào)發(fā)生器的頻率（20-40KHZ），使示波器上出現(xiàn)最大振幅，換能器工作在諧振狀態(tài)，信號(hào)發(fā)生器所顯示的頻率即換能器的諧振頻率f。在此諧振頻率f下測(cè)波長(zhǎng)，可以提高測(cè)量靈敏度。184、改變發(fā)射頭與接收頭之間的距離，由近而遠(yuǎn)，觀(guān)察示波器，可看到示波器上顯示的李薩如圖形發(fā)生周期變化.以某一個(gè)直線(xiàn)位置作為測(cè)量的起點(diǎn)，相位差每變化π即距離變化半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，李薩如圖形從斜率為正（負(fù)）的直線(xiàn)變?yōu)樨?fù)（正）的直線(xiàn)。即發(fā)射頭與接收頭之間距離的改變量為λ/2。5、用逐差法處理數(shù)據(jù)，求