文档介绍：超声波测声速
声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它是纵波,其振动方向与传播方向一致•声速是描述声波在介质中传播特性的一个基本物理量，它与介质的特性及状态因素有关，因而通过介质中声速的测定,可以了解介质的特性或状态变化。例如，测量***气、蔗
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HU
1HL..wV
有关知识参看示波器的原理和使用。
5)
［实验原理］
声波的传播速度v与声波频率f及波长九的关系为
v二f入(1)
测出声波的频率和波长，就可以求出声速，其中超声波的频率可从信号发生器中的频率显示读出，超声波的波长可用相位法测出。
产生和接收超声波是用超声波传感器，其中的压电陶瓷晶片是传感器的核心，声速测量仪的发射器和接收器都是超声波传感器。当一交变正弦电压信号加在发射器上时，由于压电晶片的逆压电效应，产生机械振动发生超声波。可移动的压电超声波接收器，由于压电晶片的正压电效应，将接收的声振动转化为电振动信号。本实验中压电陶瓷晶片的固有频率为40kHz，当正弦电压信号的频率调节到40kHz时，传感器发生共振，输出的超声波能量最大。
在40kHz附近微调外加电信号的频率，当接收传感器输出的电信号幅度达到最大时，可以判断电信号与发射传感器已达到共振。
沿着的波传播方向上的任何两个相位差为2n的整数倍的位置之间的距离等于波长的整数倍，即1二"九(n为正整数)。沿传播方向移动接收器，总可以找到一个位置使得接收器的信号与发射器的激励信号同相，继续移动接收器，接收的信号再一次和发射器的激励信号同相时，移过的这段距离必然等于超声波的波长。
为了判断相位差，可根据两个相互垂直的简谐振动的合成所得到的李萨如图形来测定
将正弦电压信号加在发射器上的同时接入示波器的X输入端，将接收器接收到的电振动信号接到示波器的Y输入端，
根据振动和波的理论,设发射器S1处的声振动方程为
(2)
(3)
(4)
x=Acos(®t+p)
11
若声波在空气中的波长为九,则声波沿波线传到接收器S2处的声振动方程为
2兀(x—x)
x=Acos(①t+Q)=Acos(①t+Q1—2I
22
S1处和S2处的声振动的相位差为
2兀(x一x)
=—2
九
负号表示S2处的相位比S1处落后，其值决定于发射器与接收器之间的距离(x2_xi)。示波器Y轴和X轴的输入信号是两个频率相同而有一定相位差的正弦波，而荧光屏上光点的运动则是频率相同、振动方向相互垂直的两个简谐振动的合运动，合运动的轨迹方程为
x2y22xy
5)
+—cos®—9)=sm2®—9)
A2A2AA1221
1212
5)
该方程是椭圆方程，椭圆的图形由相位差决定。
图4给出了相位差从0到2兀之间几个特殊值的图形。假如初始时图形如（a）图；接收
九
器移动距离为半波长2时，图形变化为（c），接收器移动距离为一个波长九时，图形变化为（e），所以通过对李萨如图形的观测，就能确定声波的波长。在两个信号同相或反相时
(a)
(b)
(c)(d)(e)
5)
图4同频率垂直振动合成的李萨如图形
呈斜直线来判断相位差的大小，其优点是