文档介绍：误差理论与数据处理
研究性教学
课程名称: 误差理论与数据处理
设计题目: 超声波声速测量的误差分析
院系: 机械与电子控制工程学院
班级: 测控1103班
设计者: 晏雯秀(11222086) 赵璐(11222079)
郑海冰(11222081) 朱崇巧(11222084)
周杏芳(11222083)
指导教师: 孙艳华
超声波声速测量的误差分析
摘要: 针对学生在超声波声速测量实验中存在的测量数据误差的问题, 分析了实验中各种可能的误差来源, 同时也指出了减小误差的相应措施, 使学生对该实验的误差来源更清楚。
关键词: 超声波; 谐振频率; 共振干涉频率; 误差
声波是在弹性媒质中传播的一种机械波。对声波特性如频率、声速、波长、声压衰减等的测量是声学应用技术中的主要内容之一。在物理实验中,进行声速测量一般采用的是频率大于 20 kHz以上的超声波。由于其频率高、波长短, 所以超声波具有定向好、功率大、穿透力强、信息携带量大、能引起空化作用以及引起许多特殊效应(如凝聚效应和分离效应) 的优点。在工业、农业、国防、生物医学和科学研究等各个领域存着广泛的应用,如超声无损检测、超声波测距和定位、测量气体温度瞬间变化、测液体流速、测材料弹性模量等等。对声速进行测量, 在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要意义。超声波声速的测量方法一般有共振干涉法和相位比较法两种, 本文主要对共振干涉法中的实验误差作简要分析。
共振干涉法原理
超声波声速的测量公式是 v = fλ, 其中, f为超声波频率, 等于发射换能器的谐振频率, 可由频率计直接读出; λ为本实验所要测量的量, 为超声波波长。基本原理是利用频率计输入电压的激发,通过逆压电效应, 使压电陶瓷片处在共振状态, 使陶瓷体产生机械简谐振动, 从而发射出简谐超声波。超声波在空气中传播遇到接收换能器反射面发生反射, 反射波与入射波叠加形成驻波, 利用接收换能器对超声波进行接收。又通过正压电效应, 将机械振动(声信号) 转化成电信号, 从示波器上观察到相应的电信号波形, 两相邻极大值之间的间距为12λ。由此得到波长值λ, 利用公式计算出超声波的声速 v。
误差来源
在超声波声速测定的实验教学中, 学生所计算出的超声波声速与该温度下的理论值之间的相对误差往往存在一定的偏离, 针对这种情况, 有必要对误差来源作简要分析, 以便更好地完善、改进该实验。从实验室所采用的仪器和实验过程来看, 主要误差来源有以下几点:
(1) 在发射换能器与接收换能器之间有可能不是严格的驻波场。由发射换能器的发射面发射的超声波在空气中传播时并不是全以简谐波传播, 而在近场区表现出没有周期性规律的特征, 直到远场区才能近似认为是简谐波, 可是只有入射波为简谐波, 经反射叠加后才能形成驻波, 从而测得两相邻极大值的间距。当发射面与反射面相距 10 cm左右时, 正好处于远场区的开始阶段, 入射波不能近似为标准的简谐波。因此与反射波叠加后不为标准的驻波, 任意两相邻极大值的间距不等, 导致在不同位置测得的两相邻极大值间的距离λ/2不同, 由此计算所得的超声波声速就会有较大的误差。而学生在实验过程中往往在发射面与反射面相距 3 cm左右便开始正式测量(见表 1), 因而会引起一定的测量误差。
(2) 在