驻波法测量声速VIP专享VIP免费

驻波法测量声速声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz－20KHz的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在20KHz以上的声波称为超声波。超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。一、实验内容1、用驻波法测定空气中的声速。2、用李萨茹图形的变化，观测位相差。3、了解时差法测定超声波的传播速度。二、实验仪器SVX-5型声速测试仪信号源SV-DH系列声速测试仪实验装置三、预备知识介绍1.声波频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。2.压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力T时，在极化方向上产生一定的电场强度E且具有线性关系：EgT,即力→电，称为正压电效应；当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与U之间有简单的线性关系：SdU，即电→力，称为逆压电效应。其中g为比例系数，d为压电常数，与材料的性质有关。由于E与T，S与U之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源。即压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器，反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶瓷片作为声频信号接收器。因此，压电换能器可以把电能转换为声能作为声波发生器，也可把声能转换为电能作为声波接收器之用。压电陶瓷换能器根据它的工作方式，可分为纵向(振动)换能器、径向(振动)正负电极片后盖反射板压电陶瓷片辐射头图1纵向换能器的结构换能器及弯曲振动换能器。图1所示为纵向换能器的结构简图。四、实验原理根据声波各参量之间的关系可知f,其中为波速,λ为波长,f为频率。在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f求声速。声波的频率f可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用共振干涉法(驻波法)和相位比较法(行波法)来测量。图2实验装置1.共振干涉(驻波)法测声速实验装置接线仍如图2所示，使S1发出一平面波。S2作为超声波接收头，把接收到的声压转换成交变的正弦电压信号后输入示波器观察，示波器置扫描方式。S2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样，由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1和S2之间产生定域干涉。当S1和S2之间的距离L恰好等于半波长的整数倍时，即Lk2，k=0，1，2，3……；形成驻波共振。任意两个相邻的共振态之间，S2的位移为，LLk1Lk(k1)2k22所以当S1和S2之间的距离L连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期性变化，相当于S1和S2之间的距离改变了。此距离可由读数标尺测得，频率f22由信号发生器读得，由f即可求得声速。2.相位比较法实验装置接线如图2所示，置示波器功能于X－Y方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动方程为：x2y22xy2cos()sin(21)2122A1A2A1A2在发射波和接收波之间产生相位差：212x见图3，随着振动的相位差从0～的变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线，测得了波长和频率f，根据式f即可计算出声音传播的速度。03424(a)(b)(c)(d)(e)图3合成振动改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L不断变化。显然，当S1、S2之间距离改变半个波长L/2，则＝。五、实验步骤1.声速测试仪系统的连接与调试接通...