文档介绍：实验题目:声速测定
试验时间:2011·11·8
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指导教师
【实验目的】
,加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。
、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。
,了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。
【实验原理】
在波动过程中波速、波长和频率之间存在着下列关系:,实验中可通过测定声波的波长和频率来求得声速。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。
声波传播的距离与传播的时间存在下列关系: ,只要测出和就可测出声波传播的速度,这就是时差法测量声速的原理。
(驻波法)测量声速的原理:
当二束幅度相同,方向相反的声波相交时,产生干涉现象,出现驻波。对于波束1:、波束2:,当它们相交会时,叠加后的波形成波束3:,这里为声波的角频率,为经过的时间,为经过的距离。由此可见,叠加后的声波幅度,随距离按变化。。压电陶瓷换能器作为声波发射器,它由信号源供给频率为数千周的交流电信号,由逆压电效应发出一平面超声波;而换能器则作为声波的接收器,正压电效应将接收到的声压转换成电信号,该信号输入示波器,我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。声源发出的声波,经介质传播到,在接收声波信号的同时反射部分声波信号,如果接收面()与发射面()严格平行,入射波即在接收面上垂直反射,入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器处的振动情况。移动位置(即改变与之间的距离),你从示波器显示上会发现当在某些位置时振幅有最小值或最大值。根据波的干涉理论可以知道:任何二相邻的振幅最大值的位置之间(或二相邻的振幅最小值的位置之间)的距离均为
。为测量声波的波长,可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时,缓
图 共振干涉法原理图
慢的改变和之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大,二相邻的振幅最大之间移动过的距离亦为。超声换能器至之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现,而超声波的频率又可由声波测试仪信号源频率显示窗口直接读出。在连续多次测量相隔半波长的的位置变化及声波频率以后,我们可运用测量数据计算出声速,用逐差法处理测量的数据。
声源发出声波后,在其周围形成声场,声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但它和声源的振动相位差不随时间变化。
设声源方程为:
距声源处接收到的振动为:
两处振动的相位差:
当把和的信号分别输入到示波器轴和轴,那么当即时,合振动为一斜率为正的直线,当,即时,合振动为一斜率为负的直线,当
为其它值时,合成振动为椭圆()。
接收信号与发射信号形成李萨如图
以上二种方法测声速,是用示波器观察波谷和波峰,或观察二个波的相位差,原理是正确的,但存在读数误差。较精确测量声速的方法是采用声波时差法,时差法在工程中得到了广泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上,声波在介质中传播,经过时间后,到达距离为处的接收换能器,那么可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度,速度为。
相位法原理图
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