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(完整word版)声速的测量
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声速的测量
1. 实验目的
（1）了解声速测量仪的结构和测试原理；
（2）通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能；
（3)用共振干涉法和相位比较法测量声速，并加深有关共振、振动合成、波的干涉等理论知识的理解；
（4）进一步掌握示波器、低频信号发生器和数字频率计的使用。
2。 实验仪器
SV—DH系列声速测试仪，SVX-5型声速测试仪信号源,双踪示波器（20MHz)。
3。 仪器简介
（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～,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
SV—DH系列声速测试仪主要由压电陶瓷换能器和读数标尺组成。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=CT；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=KU，C为比例系数，K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，,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)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.
图1 纵向换能器的结构
4。 实验原理
根据声波各参量之间的关系可知V=λν,其中V为波速，λ为波长, ν为频率。
在实验中，可以通过测定声波的波长λ和频率ν求声速。声波的频率ν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则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法（驻波法）来测量。
(1） 相位比较法
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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，在发射波和接收波之间产生相位差：
（1)
因此可以通过测量来求得声速。
的测定可用相互垂直振动合成的李萨如图形来进行。设输入X轴的入射波振动方程为 （2）
输入Y轴的是由S2接收到的波动，其振动方程为:
(3）
图2 实验装置
上两式中：A1和A2分别为X、Y方向振动的振幅，为角频率，和分别为X、Y方向振动的初相位，则合成振动方程为
（4）
此方程轨迹为椭圆，椭圆长、短轴和方位由相位差决定。当＝0时，由式得，即轨迹为处于第一和第三象限的一条直线,显然直线的斜率为。如图3(a)所示;＝时,得,则轨迹为处于第二和第四象限的一条直线如图3（e）所示。
（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，则＝。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
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和频率,根据式即可计算出室温下声音在媒质中传播的速度。
(2) 共振干涉（驻波）法测声速
实验装置接线仍如图2所示，图中S1和S2为压电陶瓷超声换能器。S1作为超声源（发射头）,低频信号发生器输出的正弦交变电压信号接到换能器S1上，，。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,而形成驻波。
设沿X轴正向传播的入射波的波动方程为
（5）
设沿X轴负向传播的反射波的波动方程为
（6）
（7）
由（7)式可知，当:, k = 0，1，2，3 …… ; (8）
即， k= 0,1,2，3 …… 时，这些点的振幅始终为零，即为波节。
当：， k = 0，1，2,3 …… ； (9）
即， k = 0，1，2，3 …… 时，这些点的振幅最大，等于2 A,即为波腹.
故知，相邻波腹（或波节)的距离为.
对一个振动系统来说，当振动激励频率与系统固有频率相近时，系统将发生能量积聚产生共振，此时振幅最大。当信号发生器的激励频率等于系统固有频率时，产生共振，声波波腹处的振幅达到相对最大值。当激励频率偏离系统固有频率时，驻波的形状不稳定，且声波波腹的振幅比最大值小得多.
由上式可知，当S1和S2之间的距离L恰好等于半波长的整数倍时，即
， k = 0,1,2，3 …… ；
形成驻波，示波器上可观察到较大幅度的信号，不满足条件时，观察到的信号幅度较小。移动S2，对某一特定波长，将相继出现一系列共振态，任意两个相邻的共振态之间，S2的位移为,
（10)
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ν由信号发生器读得,由即可求得声速.
5。 实验步骤
(1) 声速测试仪系统的连接与调试
在接通市电后，信号源自动工作在连续波方式,选择的介质为空气的初始状态，.
测试架上的换能器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端换能器接口（S1)，用于输出相应频率的功率信号，接至测试架左边的发射换能器(S1)；仪器面板上的接收端的换能器接口(S2），请连接测试架右边的接收换能器(S2）。
示波器与声速测试仪信号源之间的连接
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信号源面板上的发射端的发射波形（Y1），接至双踪示波器的CH1(X），用于观察发射波形；信号源面板上的接收端的接收波形(Y2)，接至双踪示波器的CH2（Y），用于观察接收波形。
(2) 测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点
只有当换能器S1和S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到发射换能器S1谐振频率点处，才能较好地进行声能与电能的相互转换，提高测量精度，以得到较好的实验效果。
超声换能器工作状态的调节方法如下:各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出电压（100mV～500mV之间)，调节信号频率（在25～45kHz）,观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34。5～）电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点，记录频率νi ，改变S1和S2之间的距离，适当选择位置(即：至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置)，再微调信号频率,如此重复调整，再次测定工作频率,共测5次,取平均值0 。
(3） 用相位比较法（李萨如图形）测量波长
1） 将测试方法设置到连续波方式，连好线路，把声速测试仪信号源调到最佳工作频率0。
2） 调节示波器：
① 打开示波器，先把“辉度”（INTEN）、“聚焦”(FOCUS）、“X位移"（POSITION）和“Y位移”(POSITION）旋扭旋至中间位置；
②“扫描方式”(SWEEP MODE）选择“自动”（AUTO)；
③“耦合"（COUPLING）选择“AC";
④“触发源”(SOURCE）选择“INT";
⑤ 输入信号与垂直放大器连接方式（AC—GND-DC）选择“AC"；
⑥“内触发”(INT TRIG）选择“CH1-X-Y”；
⑦ 把“选择扫描时间"（TIME/DIV）旋扭旋至“X-Y”，在“Y方式”（VERT MODE）内，按下“CH2-X-Y）"按钮，使S2轻轻靠拢S1，然后缓慢移离S2，观察示波器的波形。当示波器所显示的李萨如图形如图3中（a)时，记下S2的位置X1适当调节示波器上的“V/cm”或信号源上的“发射强度”，可提高灵敏度；
⑧ 依次移动S2，记下示波器上波形由图3中（a）变为 图3中(e）时,读数标尺位置的读数X2、X3、X4, … 共12个值；
⑨ 记下室温t ；
⑩ 用逐差法处理数据.
(4） 干涉法（驻波法）测量波长
1） 按图2所示连接好电路；
2） 将测试方法设置到连续波方式,把声速测试仪信号源调到最佳工作频率0。将示波器的触发源(SOURCE）选择“LINE”，“选择扫描时间”(TIME/DIV）旋至2µs处。
再共振频率下，将S2移近S1处,缓慢移离S2，当示波器上出现振幅最大时,记下读数标尺位置X1´；
3） 依次移动S2，记下各振幅最大时的X2´、X3´ … 共12个值；
4） 记下室温t ；
5） 用逐差法处理数据。
（5) 实验中应注意的问题：
换能器发射端与接收端间距一般要在5cm以上测量数据，距离近时可把信号源面板上的发射强度减小，随着距离的增大可适当增大;
示波器上图形失真时可适当减小发射强度；
测试最佳工作频率时,应把接收端放在不同位置处测量5次,取平均值。
6。 测量记录和数据处理
室温t = oC
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(1） 陶瓷换能器系统最佳工作频率
次 数i
1
2
3
4
5
平均值0
相位比较法测量声速
标 尺 读 数 （mm)
相距6个λ 的距离 (mm）
X1=
X7=
△X1=
X2=
X8=
△X2=
X3=
X9=
△X3=
X4=
X10=
△X4=
X5=
X11=
△X5=
X6=
X12=
△X6=
= mm
mm
= m / s
已知声速在标准大气压下与传播介质空气的温度关系为：
Vs = （ + t ） m / s
m / s
(3） 共振干涉法测量声速（根据课时选做内容）
标 尺 读 数 (mm)
相距6个λ的距离(mm）
X1´=
X7´=
△X1´=
X2´=
X8´=
△X2´=
X3´=
X9´=
△X3´=
X4´=
X10´=
△X4´=
X5´=
X11´=
△X5´=
X6´=
X12´=
△X6´=
´=´= mm
´=´= mm
= m / s
Vs = （331。45 + t ) m / s
m / s
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7。 声波简介
声波是一种频率介于20Hz~、强度、（即v=λf ）求出，也可以利用v=L / t求出，其中L为声波传播的路程，~500MHz之间，它具有波长短、易于定向传播等优点。在同一媒质中，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而在超声波段进行传播速度的测量比较方便，更何况在实际应用中，对于超声波测距、定位、成像、测液体流速、测材料弹性模量、测量气体温度瞬间变化和高强度超声波通过会聚作医学手术刀使用等方面都得到广泛的应用，超声波传播速度有其重要意义。我们通过媒质(气体、液体)中超声波传播速度测定来测量其声波的传播速度。
8. 思考题
(1) 测量声速可以采用哪几种方法？
如何判断测量系统是否处于共振状态？
如何确定最佳工作频率？
驻波中各质点振动时振幅与坐标有何关系？
实验中，风是否会影响声波的传播速度？
9. 超声应用技术介绍＊
（1） 无损探伤
超声波与普通声波不同，它的频率高、波长短、，可以在深海测量中探测水中物体；在工业上可用超声波来探测工件内部的缺陷（例如气泡、裂缝等），称为超声探伤。超声探伤的优点是不损伤工件，而且超声波在金属中穿透力强，可穿透几十米，因而可探测大的工件。
图5是超声波探伤仪的工作示意图,该仪器由带有显示屏的主机和探头组成，探头是用来发射与接收超声波的，探头的主要部分是由锆钛酸铅（或钛酸钡）制成的薄晶片，厚度约0。5mm，在薄片的两面镀上电极，电极通过引线与主机相连,当主机发射的几兆赫的电讯号加在电极上时,晶片由于压电效应发射出超声波。探伤时，将探头放在工件的表面上，让探头发出一个超声脉冲,同时观测主机显示屏上脉冲出现的个数和幅度,判别工件内部是否有缺陷存在和缺陷的大小、部位。
图5 超声波探伤仪的工作示意
1) 超声波穿透法探伤
参见图6所示,,则由发射探头发出的超声波除正常吸收外，小部分传播到接收探头，并以某种方式指示出来;如果在两探头之间存在着缺陷,超声波就会在缺陷处被反射，此时接收到的超声波信号很弱甚至为零，故显示器指示的信号很小或保持在零位。据此,就可确定缺陷的存在和大小。图6表明沿材料表面向右移动探头,依次发现了小缺陷、大缺陷的情况。穿透法的缺点在于：①两探头必须相互对准，否则如稍有位移，探伤仪的指示随即变动，探头定位难；②探头与试样的接触状态使指示值受影响；③当两探头之间的距离为某一适当值时,偶然会出现共振现象而影响测量结果，因此穿透法探伤通常使用调频连续波.
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图6超声波穿透探伤示意
在实际工作中，往往会遇到不允许进行双探头双面探测的情况，这时要采用如图7所示的方法,其原理与图6所示相同。
图21—7 反射式穿透探伤示意
2) 超声波脉冲反射法探伤
图8所示为脉冲反射式探伤仪原理。由脉冲发生器发出的电脉冲直接加到探头上,转换
图8 脉冲反射式探伤仪原理
成声脉冲进入试样，这个电脉冲同时又输入到示波器，在荧光屏上出现一个发射脉冲，当超声波与试样背面或缺陷相遇时，会产生反射，声波返回探头又产生一个交变电信号输入到示波器形成荧光屏上的第二个脉冲。这个过程每秒钟要重复几次，在荧光屏上看到的是一系列连续的波形图。根据试样厚度、声速等对示波器扫描速度适当调节后，就能用荧光屏上的测距标度立即读出发射脉冲至回波脉冲的距离，也就是反射面至探头的距离。
如图9是探伤图形中回波判别的简要图示,限于篇幅略述。
(2） 测 厚
在工业中，在非破坏的情况下精确测量结构和部件的厚度是极为重要的问题,如船舶壳体、各种高温高压容器以及原子能工业中的不锈钢管道等，在使用过程中由于经受腐蚀会使壁厚发生变化，必须定期进行检验以防止发生事故。近年来，在产品制造工艺中广泛采用厚度监控,
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图9 探伤图形
并配合程序控制以保证产品厚度均匀。在这些方面，超声测厚技术都可以获得良好的效果，目前超声测厚已经发展成为一种重要的厚度检测手段。
共振法测厚仪的类型很多,但是它们的结构和工作原理大同小异，现以常见的用显示器直接观察的共振式厚度计为例来加以介绍，这种厚度计的结构原理如图10所示。主控器发出50Hz的扫频电流作为调制信号。另一方面，扫频电流同时加到磁偏转显示器的水平偏转线圈上，使扫频范围与水平扫描同步。这样，显示器上的水平扫描线实际上就是频率刻度尺,超声换能器直接与扫频振荡器耦合，它通常用压电陶瓷制成，其厚度共振频率为几兆赫左右,当试样发生厚度共振时，振荡器输出的信号显著加强而形成谐振峰，经放大后，加到显示器的垂直偏转线圈上从而在光屏上显示出一条垂直亮线，根据亮线的位置（对应于谐振频率）就可以直接读出试样的厚度。
图10 共振式厚度计结构原理