空气中声速的测定 朱林彦 太原理工大学.

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1 空气中声速的测定 朱林彦 太原理工大学

2 一、声波的基本知识 1、横波与纵波；超声波； 2、理想气体中的声速值 式中B是气体的体变弹性模量； 是气体密度； ，有水蒸气时应予修正：
式中P水是水蒸气的分压强。

3 3、位移波与声压波； 4、驻波的形成； 5、不同介质界面上机械波耦合作用，特 性阻抗； 6、增强耦合效率的措施： ① 调整到共振频率； ② 采用变幅杆与增强片。

4 声波在生活和科技中的应用 1、信息交流（助听器）； 2、地震探矿，地震预报（利用地震波中纵波与横波波速的不同）；
3、医学应用：B超与彩超（利用人体不同结构中声速的不同）； 4、无损检测（利用两种不同介质表面对声波的反射）； 5、海洋应用（声呐）：鱼群探测，海底地貌，军舰与潜艇； 6、液位检测，倒车雷达。

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8 二、预 习 提 要 1、 压电换能器的工作原理 2、共振干涉法和相位比较法测声速的原理 3、示波器的调整与使用 4、逐差法处理数据的方法
5、设计待测量的数据记录表格

9 三、实验要求与目的 1、了解超声压电换能器的结构和工作原理； 2、 熟悉示波器和低频信号发生器的使用；
3、用共振干涉法和相位比较法测量空气中的 声速。 4、学会用最小二乘法或逐差法处理数据，并对结果的不确定度进行分析。

10 四、实 验 装 置 超声声速测定仪 共振干涉法实验装置 频率计 示波器 Y 信号发生器 S1 S2
发射换能器 接收换能器 信号发生器 S1 S2 共振干涉法实验装置 （相位比较法只需将信号发生器输出的信号加在示波器的X端）

11 传感器内部结构 压电陶瓷片 电输入或输出端 铝外壳

12 一通道 增益调节 时基扫描 二通道 增益调节 显示屏 辉度 聚焦 开关 第一通道 第二通道

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14 信号发生器 波形选择 开关 频率调节 频率范围选择 信号输出

15 五、实 验 原 理 （一）、超声压电换能器的工作原理 1、压电效应与电致伸缩效应（逆压电效应）；
2、压电陶瓷换能器的谐振频率f0的调整与测量； 3、超声声速测定仪介绍。

16 （二）、声速测量的基本方法 1、 共振干涉法（驻波法） p 波腹 L 干涉而成驻波 波节 S1发射 S2反射 L S2表面声压与其位置的关系

17 1、 共振干涉法（驻波法） 位移波 S2 S1 声压波

18 1、 共振干涉法（驻波法） 结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为

19 1、 共振干涉法（驻波法） x y p 声波传播中的位移波与声压波 •

20 2、 相位比较法（行波法） ：传播时间； ：角频率； ：相位差；

21 3、相位比较法（利萨如图形法） 接X通道, 接Y通道，移动 得到如下李萨如图形： 结论：每次出现重复图形 移动的距离为

22 4、时基脉冲法（时差法） 时差法波形图

23 5、超声 光栅法

24 5、超声光栅法

25 5、超声光栅法

26 六、实 验 内 容 按实验装置图接线，使发射头和接收头的端面尽量平行； 共振频率，调整函数发生器的输出频率，使接收头输出的电信号幅度最大；
共振干涉法测波长，记录示波器上波形相继出现10个极大值所对应的接收头的坐标； 相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现10个相同李萨如图形时所对应的接收头的坐标。

27 七、数据记录与处理 1.逐差法计算波长 和 , 得到超声波速度 及其不确定度 。 2.最小二乘法处理数据，得到波长 和 ,
1.逐差法计算波长 和 , 得到超声波速度 及其不确定度 。 2.最小二乘法处理数据，得到波长 和 , 计算得到超声波速度 及其不确定度 。

28 八、注意事项 1. 使用过程中应避免输出短路。 2. 为保证性能稳定，应预热10分钟后再使用。 3. 调节仪器旋钮要轻缓，以免损坏。
4. 信号发射器的信号输出幅度不要过大，避免仪器过热而损坏。 5. 使用游标尺测量移动距离时，必须轻而缓慢地调节，手勿压游标尺。

29 八、注意事项 6. 实验中S2的测量必须是连续进行的,决不可进行跳跃式测量。
7. 信号源电源开关打开后，S1与S2发射面和接收面要保持相互平行并S1与S2间距必须大于3cm。实验时要使函数信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率，并且在实验过程中保持不变。

30 九、思 考 题 1. 形成驻波的条件是什么？两压电换能器的端面为什么要平行？ 2. 声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？
3. 为什么要在谐振频率条件下进行测量？如何调节和判断测量系统是否处于谐振状态？ 4. 相位比较法测量声速时，选择什么样的李萨如图形进行测量？为什么？

31 谢 谢