实验24 声速的测定.doc
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1、- 1 -声速的测定在弹性介质中,频率从 20 Hz 到 20 kHz 的振动所激起的机械波称为声波,高于 20kHz,称为超声波,超声波的频率范围在 2104 Hz -5108 Hz 之间。超声波能在固体、 液体和气体中传播,传播速度就是声波的传播速度。超声波具有波长短、穿透本领强、易 于定向发射等优点,常用作声速测量中的波源。超声波在测距、定位、测液体流速和测量 气体温度等方面有其显著的优势,尤其是在临床医学中,超声、电子技术和计算机的完美 结合,在研究人体内部组织超声物理特性和病变间的某些规律方面,已成为不可缺少的诊 疗手段,并发展为一门边缘学科即超声诊断学。声速作为超声波的重要参数,无
2、论是基础 研究,还是临床应用,它的测量都具有重要意义。一实验目的一实验目的1了解超声波的产生、发射和接收的原理; 2用驻波法、位相法和时差法测量空气中的声速; 3进一步熟悉示波器的使用; 4学习用逐差法处理测量数据。二实验仪器二实验仪器SV-DH 系列声速测试仪,MDS-620 双踪示波器,声速测试仪信号源。三实验原理三实验原理1声波在空气中的传播速度声波在空气中的传播速度声波在理想气体中的传播速度为RTvM (1)式中是比热容比(=CP/CV) ,R 是普适气体常数,M 是气体的摩尔质量,T 是热力学 温度。从式(1)可见,温度是影响空气中声速的主要因素。如果忽略空气中的水蒸气和其 他杂质的
3、影响,在 0(T0=237.15K)时的声速0 0331.45RTvm sM在 t时空气中的声速为01273.15ttvv (2)式(2)中的室温 t 可从干湿温度计(见附录)上读出。由(2)式可计算出声速, (2)式可作为空气中声速的理论计算公式。- 2 -2超声波与压电陶瓷换能器超声波与压电陶瓷换能器本实验采用压电陶瓷换能器作为超声波的发 射器和接收器。压电陶瓷换能器的工作方式分为 纵向(振动) 、横向(振动)和弯曲振动三种,教 学实验中大多采用纵向换能器,其结构如图 1 所 示。其中压电陶瓷晶片是传感器的核心,它是利 用压电晶体的逆压电效应产生超声波,即在交变 电压的作用下,压电晶体产生
4、机械振动,因而在弹性介质 图 1 超声波纵向换能器的结构简图(空气)中激发出声波,再利用压电晶体的压电效应在另一端接收超声波。辐射头为喇叭 状,使发射和接收超声波有一定的方向角,且能量比较集中。本实验的压电陶瓷晶片的振 荡频率范围在 25KHz45KHz, 产生的超声波的波长为几毫米。3测量声速的实验原理测量声速的实验原理本实验是利用频率 f 与波长和声速v之间的关系,测量超声波在空气中的传播速度。声波的频率 f、波长和波速v之间的关系为vf (3)只要测出声波的频率和波长,就可以求出声速。其中声波的频率可通过测量声源(信号发 生器)的振动频率得出,本实验的主要任务就是测量声波的波长,实验采用
5、的方法是:驻 波法(共振干涉法) 、行波法(相位比较法)以及时差法。(1)驻波法(共振干涉法)测量波长)驻波法(共振干涉法)测量波长如图 2 所示,由超声波发射探头 S1发出的平面超声波在空气中传播,到达接收换能器 S2平面上反射,当两换能器端面之间的距离恰为半波长的整数倍时,入射波和反射波叠加 形成驻波。图 2 实验装置与工作原理示意图驻波相邻两波节或两波腹间的距离为半波长(/2) 。声波是纵波,在声驻波中,波 腹(介质密度)处声压小,接收换能器上输出的电压幅度也小;波节(介质密度大)处声- 3 -压大,接收换能器上输出的电压幅度也大。因此,可根据换能器上输出电压的大小来求波 长。当改变换能
6、器间距离,示波器上所显示的波形幅值将作周期性变化。每变化一个周期, 换能器 S1和 S2 间距离变化即为半波长。实验时可在游标尺上读出波形幅度最大时对应的一系列数值,用逐差法求出波长,超声波频率由信号发生器读出,则声速由式(3)求 出。(2)行波法(相位比较法)测量波长)行波法(相位比较法)测量波长当换能器 S1发出的超声波通过介质到达接收换能器 S2 时,在任一时刻,发射波与接收波之间有一相位差,设两换能器间距离为l,则2l (4)当 S1和 S2之间的距离l每改变一个波长,相位差就改变 2。即可通过相位变化来求波长。相位比较法的实验装置如图 2 所示。将示波器置于“X-Y”状态,然后将发射
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