超聲聲速的測(cè)量.doc

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1、實(shí)驗(yàn)16超聲聲速的測(cè)量（一）講課提綱（1）測(cè)量波的傳播速度的方法。從測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)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(dòng)規(guī)律，物體運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量方法，測(cè)量位移和時(shí)間，平均速度，瞬時(shí)速度，這是測(cè)量速度的基本方法之一，從粒子的觀點(diǎn)來(lái)測(cè)量速度。（2）根據(jù)波動(dòng)力學(xué)知識(shí)，波的傳播速度與波長(zhǎng)及頻率有著非常簡(jiǎn)潔的關(guān)系，，這種簡(jiǎn)潔的關(guān)系為波的傳播速度的測(cè)量提供了非常有力的途徑，這是測(cè)量速度的另一種基本方法，從波動(dòng)的觀點(diǎn)來(lái)測(cè)量速度。通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)和頻率來(lái)測(cè)量波的傳播速度，一般頻率很容易確定和測(cè)量，關(guān)鍵是測(cè)量波長(zhǎng)。（3）測(cè)量波長(zhǎng)的方法有

2、很多，相關(guān)實(shí)驗(yàn)，光柵衍射測(cè)量波長(zhǎng)，邁克爾遜干涉儀，電子衍射等，這些是通過(guò)干涉或衍射的方法測(cè)量波長(zhǎng)。我們今天的實(shí)驗(yàn)再給大家介紹兩種測(cè)量波長(zhǎng)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(cè)量波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單容易，測(cè)量方便。（4）駐波法測(cè)量波長(zhǎng)，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(zhǎng)的整數(shù)倍，實(shí)現(xiàn)駐波。一旦實(shí)現(xiàn)駐波，不再是一個(gè)波動(dòng)的表達(dá)式而是一個(gè)振動(dòng)的表達(dá)式，各個(gè)質(zhì)元的振動(dòng)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(gè)波長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)了駐波，測(cè)量出波腹和波腹或者波節(jié)和波節(jié)之間的距離，也就測(cè)量出了波長(zhǎng)。（5）相位比較法測(cè)量波長(zhǎng)就更簡(jiǎn)單了，我們知道，波的傳播是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，是能量的傳播，是相位的傳播。也就是說(shuō)相位隨著傳播距離不斷變化。當(dāng)傳播距離是波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，相位的變化正好是2π的整數(shù)倍。換句話說(shuō)，相位每變化2π一個(gè)周期，傳播距離正好變化一個(gè)波長(zhǎng)λ。如果我們通過(guò)某種方法觀察相位2π一個(gè)周期時(shí)，測(cè)量出傳播距離的變化，就是一個(gè)波長(zhǎng)。（6）我們今天的實(shí)驗(yàn)是測(cè)量聲波

4、的傳播速度，所以稱為聲速的測(cè)量。要想測(cè)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(hào)相互轉(zhuǎn)換，當(dāng)兩端加上電信號(hào)時(shí)產(chǎn)生壓力；當(dāng)兩端加上壓力時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)。壓電陶瓷換能器，這個(gè)名詞大家聽(tīng)起來(lái)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(gè)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(shí)，兩端加上變化的電信號(hào)，壓力變化，產(chǎn)生振動(dòng)，帶動(dòng)周圍空氣振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波向外發(fā)射；作為超聲波接受時(shí)，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(hào)，通過(guò)測(cè)量變化的電信號(hào)就可以知道聲波的變化情況。這也是非電量電測(cè)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)。（7）今天我們的實(shí)驗(yàn)怎么樣通過(guò)駐波法和相位比較法測(cè)量波長(zhǎng)，下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器具體說(shuō)明。（8）我們今天的實(shí)驗(yàn)儀器也非常整裝，只有三個(gè)儀器。（9）函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，實(shí)際上就是一個(gè)交流電源，只不過(guò)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(cè)量使用正弦波，測(cè)量使用的頻率在30~40kHz，所以頻率量程選用100kHz，有5個(gè)旋鈕，今天只使用左邊的3個(gè)，右邊的兩個(gè)逆時(shí)針旋到最小。左邊第一個(gè)是電源開(kāi)關(guān)和輸出電壓大小調(diào)節(jié)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸出電壓增大。實(shí)驗(yàn)時(shí)輸出電壓不能太小，也不要調(diào)節(jié)到最大。左邊第二個(gè)頻率細(xì)調(diào)，第三個(gè)頻率粗調(diào)。（10）示波器，示波器的使用，我們一層次有這個(gè)實(shí)驗(yàn)，做過(guò)的同學(xué)可能比較熟悉了，沒(méi)有做過(guò)的同學(xué)正好就今天的機(jī)會(huì)補(bǔ)習(xí)一下。我們使用的是最簡(jiǎn)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(cè)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(cè)量?jī)x，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(cè)量發(fā)射面與接受面之間的距離。（12）測(cè)量時(shí)Y1輸入接受換能器信號(hào)，Y2輸入發(fā)射信號(hào)。測(cè)量時(shí)首先調(diào)整諧振頻率，使信號(hào)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(hào)也最強(qiáng)，在示波器上波形幅值最高。駐波法測(cè)量，移動(dòng)接受面找波節(jié)位置，示波器上波形幅值極大值時(shí)的位置，測(cè)量?jī)蓚€(gè)極大值之間的讀數(shù)差。采用累加放大測(cè)量法測(cè)量，10個(gè)半波長(zhǎng)一測(cè)，測(cè)量5次。（13）駐波法是兩個(gè)相互平行的

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