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1、声速测定声波是一种在弹性媒质中传播的机械波,它是纵波,其振动方向与传播方向相一样。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,称为可听见波;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等超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。因而通过媒质中声速的测定,可以了解因素有关。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更。例如,测量氯气、蔗糖等媒质的特性或状态变更。例如,测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油晶的分界面等等,这些问题
2、都可以通过管中不同油晶的分界面等等,这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。通过媒质中声速的测定这些物质中的声速来解决。通过媒质中声速的测量,可以了解被测媒质的特性或状态变更,因而测量,可以了解被测媒质的特性或状态变更,因而声速测量有特别广泛的应用,如无损检测、测距和声速测量有特别广泛的应用,如无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变更、测液体的流速、测定位、测气体温度的瞬间变更、测液体的流速、测材料的弹性模量等。材料的弹性模量等。测量声速的意义 试验目的 1本试验是“阴极射线示波器”试验的接着和深化。运用的熟悉程度。通过本试验将检验学生对示波器2了解压电换能器的功能,加深对驻波及振动合
3、成等理论学问的理解。3学习用共振干涉法和相位比较法测定超声波在空气中的传播速度。4.驾驭用逐差法处理数据的方法。【试验仪器介绍】SVX-5SVX-5声速测试仪信号源声速测试仪信号源声速测试仪信号源声速测试仪信号源“信号频率信号频率信号频率信号频率”用于调整输出信号的频率;用于调整输出信号的频率;用于调整输出信号的频率;用于调整输出信号的频率;“放射强度放射强度放射强度放射强度”用于调整输出信号电功率;用于调整输出信号电功率;用于调整输出信号电功率;用于调整输出信号电功率;“接受增益接受增益接受增益接受增益”用于调整内部的接受增益。用于调整内部的接受增益。用于调整内部的接受增益。用于调整内部的接
4、受增益。“测测测测试试试试方方方方法法法法”设设设设置置置置在在在在“连连连连续续续续波波波波”方方方方式式式式时时时时,面面面面板板板板左左左左上上上上方方方方显显显显示示示示窗窗窗窗显显显显示示示示频频频频率率率率(kHzkHz);设设设设置置置置在在在在“脉脉脉脉冲冲冲冲波波波波”方方方方式式式式时时时时,显显显显示示示示窗窗窗窗显显显显示示示示时时时时间间间间(ss)。当当当当测测测测量量量量系系系系统统统统处处处处于于于于共共共共振振振振状状状状态态态态时时时时,面面面面板板板板左左左左下下下下角角角角“信信信信号号号号指指指指示示示示灯灯灯灯”应应应应亮亮亮亮 ,并且在测量过程中应
5、始终保持亮。并且在测量过程中应始终保持亮。并且在测量过程中应始终保持亮。并且在测量过程中应始终保持亮。l压电陶瓷超声换能器的工作原理l在声速测量中,接受压电陶瓷超声换能器作为声波的放射器和接收器。l声速测量仪中换能器S1作为声波的放射器是利用了压电材料的逆压电效应。压电陶瓷片在沟通电压作用下,发生纵向机械振动,在空气中激发超声波。换能器S2作为声波的接收器是利用了压电材料的压电效应。空气的振动使压电陶瓷片发朝气械形变,从而产生电场,把声信号转变成了电信号。1.基本原理声速声速 若固定频率为若固定频率为f=f0f=f0(共振频率),通过波长(共振频率),通过波长 测量,测量,即可求得声速即可求得
6、声速 v v。本试验接受压电陶瓷超声换能器来实现声波和沟通本试验接受压电陶瓷超声换能器来实现声波和沟通电压间的转换。当电压间的转换。当 电信号的频率与换能器的固有电信号的频率与换能器的固有振动频率相等时,其输出能量最大。振动频率相等时,其输出能量最大。2共振干涉法低频信号发生器游标尺示波器图中图中S1S1和和S2S2,为压电陶瓷超声换能器,为压电陶瓷超声换能器,S1S1作为超声源作为超声源(放射放射),低频信号发生器发出的正弦电压信号接到换能器后,即能,低频信号发生器发出的正弦电压信号接到换能器后,即能发出一平面声波。发出一平面声波。S2S2作为超声波的接收头,接收的声压转换作为超声波的接收头
7、,接收的声压转换成电信号后输入示波器视察,成电信号后输入示波器视察,S2S2在接收超声波的同时还反射在接收超声波的同时还反射一部分超声波。一部分超声波。由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1,S2之间的区域干涉而形成驻波。可以证明,相邻两极大值之间的距离为半波长/2整数倍时,接收面S2上的声压达到极大值。具此我们就能得到超声波的波长。再由XDX型低频信号发生器读出超声源的频率 f 就可计算出声速。移动S2,视察示波器显示的正弦波振幅变更,用游标尺读出振幅极大值S2所在位置li。不断移动S2,连续读出20个相邻的振幅极大位置。试验测量低频信号发生器游标尺示波器3.相位比较法从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为 =t=2f/v=2 l/S1与S2之间变更一个波长,相位差变更,示波器上所视察到的李萨如图随之变更一个周期。李萨如图随相位的变更图 形相位差【数据处理及作业】l1列表记录试验数据。l2计算空气中声速的最佳估计值,合成不确定度u、相对不确定度和百分偏差。l(1)逐差法处理数据。l(2)计算声速的不确定度u和相对不确定度。l(3)正 确 表 示 测 量 结 果(要 求 值 信 概 率P=0.683)。l(4)计算空气中声速的百分偏差。
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