文档介绍：699-实验312 超声声速的测量
超声声速的测量
声波是一种机械波，它可以在气态、液态、固态物质中传播，它会引起物质的光学、电磁、力学、化学性质以及人类生理、心理等性质的变化。人耳能听到的声波称为可闻声波，频率在20Hz,20kHz之间，频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20kHz则称为超声波。超声波在媒质中传播时，声速、声衰减和声阻抗都和媒质的特性及状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性和状态变化。这些声学量的测量方法就是超声无损检测的实验基础。由于媒质中的声速与媒质的许多非声学特性都有直接或间接的关系，所以通过声速的测量可以求出固体媒质的弹性模量，进行气体成分分析，测定液体的比重，液体的成分及溶液浓度等。利用媒质的温度、压强、流速与声速的关系则可以探测这些状态参量的变化。媒质中的声速是应用最广而且测量精度也较高的声学量。测量声速依据的原理可以是
tv,f,fv,l/tl(表示声音传播的距离，表示通过这段距离的时间)，也可以是(为声
,波的频率，为声波的波长)。本实验采用的共振干涉法和相位比较法均属于后者。 一、预备问题
1( 压电换能器是如何工作的,
2( 声波在媒质中传播的速度与哪些因素有关,
3( 何为共振干涉法和相位比较法,
二、引言
1(超声波的发射和接收
超声波的发射和接收都需要用换能器，换能器的作用是将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器)，或将超声波的能量转换为其它可以检测的能量(接收换能器)。最常使用的是压电换能器。压电晶体(如石英)或压电陶瓷(如钛酸钡、锆钛酸铅)这类压电材
E,,,T料受到应力T的作用会在材料内产生电场E，且满足(为压电常数)，这就是压,
电效应。压电效应是法国人居里兄弟1880年在研究热电现象和晶体对称性的时候发现的。压电换能器接收超声波信号使之转换为电信号，从而将机械能转换为电能，利用的就是压电效应原理。当超声波频率与系统固有(共振)频率一致时所产生的电信号最强。压电材料还
S,d,E具有逆压电效应，压电材料在电场E的作用下产生伸缩形变S，且满足(d为伸缩常数)，在交变电场的作用下会产生周期性的收缩和伸长，当外加电场的频率和压电体固有频率相同时振幅最大。发射换能器利用逆压电效应就可以将电能转换成超声振动能，在周围媒质中激发超声波。
2(声速的测量
声波在媒质中传播的速度决定于媒质的密度、弹性模量等性质。声波在液体和固体中的传播速度一般大于在气体中的传播速度。声速也和媒质的压强、温度等状态有关，因为温度变化一般比压强大，所以温度对声速的影响也比较大。若频率已知，测出波长即可根据波长、
v,f,频率和声速三者的关系求出波速。
(1)共振干涉法测声速
-1 所示，S1、S2都是压电换能器，两者相互平行。由低频信号发生器输出的频率为f的正弦电信号激励超声波发射器S发射出沿x方向传播的近似平面超声波，经超声1
波接收器S反射后，在两端面间来回传播并叠加而形成驻波(严格地说还有行波的成份)。2
在驻波场中，x处空气质点的位移y可表示为
asin[k(l,x)] (-1) y,cos,tsinkl
,(,2,f)k(,2,/,,,/v),为声波的角频率，为波数，为声波的式中a为声波的振幅，
sin[k(l,x)],1波长，l为S1与S2间的距离。对于某一确定的l，在驻波场中满足的那些
sin[k(l,x)],0地方，位移达到最大而形成波腹;而在满足的那些地方，位移为零而成为
,/2波节。两相邻波腹或波节之间的距离均为。
在驻波场中，空气质点位移y的图像不能被直接观测，而声压p却可以通过仪器观测。声压p就是空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强，根据声学理论，声压p的驻波可以表示为
ysin[k(lx),/2],,，2 (-2) p,v,,vacos,t,,,00xsinkl,
,其中为空气的静密度。同样在驻波场中会形成声压的波腹和波节，两相邻波腹或波节之0
,/2间的距离也为，所不同的是空气质点位移总是最大的地方却是声压的波节，而空气质点总是静止的地方却是声压的波腹。
游标卡尺
信号源
示波器 信号放大器 S1 S2
-1 共振干涉法测声速
若将接收到的超声波声压信号转换成电信号再输入示波器，当发射频率固定时，移动S2，改变两者的相对距离就能在一系列特定的距离(为声波半波长的整数倍)上建立驻波共振态，从示波器上可以观察到信号振幅周期性地呈现最大值，相邻最大值之间的距离为
, (-3) ,l,2
v,f,,2f,l则 (-4)
实际测量中为了提高测量精度，可以连续多次