声速测定.pptx

声声 速速 的的 测测 定定实实 验验 9 大大 学学 物物 理理 实实 验验实实 验验 目目 的的n了解驻波、行波、混合波的性质和区别。了解驻波、行波、混合波的性质和区别。n了解超声波的发射和接收。了解超声波的发射和接收。n了解压电效应在非电量的电测法的应用。了解压电效应在非电量的电测法的应用。n熟悉示波器的使用方法。熟悉示波器的使用方法。n用直射式时差法、驻波共振法（李萨如图形法）、相位比较法测量空用直射式时差法、驻波共振法（李萨如图形法）、相位比较法测量空气中的声速。气中的声速。大大 学学 物物 理理 实实 验验实实 验验 原原 理理 基本原理基本原理n声波的定义：声波是在弹性媒质中传播的机械波。声波的定义：声波是在弹性媒质中传播的机械波。n声波的分类：可闻声波声波的分类：可闻声波(频率在频率在20Hz20kHz范围）范围）次声波次声波(频率低于频率低于20Hz)超声波超声波(频率高于频率高于20kHz)n声波在介质中传播时，声速声波在介质中传播时，声速v、频率、频率f和波长之间的关系：和波长之间的关系：(9-1)若固定频率若固定频率f=f0(共振频率），则通过波长的测量可求得声速。共振频率），则通过波长的测量可求得声速。n本实验是采用压电陶瓷圆环做成的复合换能器来发射和接收超声本实验是采用压电陶瓷圆环做成的复合换能器来发射和接收超声波，实现声波和交流电压之间的转换。波，实现声波和交流电压之间的转换。n常用测量声速的方法有驻波共振法和相位比较法、直射式时差法。常用测量声速的方法有驻波共振法和相位比较法、直射式时差法。大大 学学 物物 理理 实实 验验1 直直 射射 式式 时时 差差 法法 (9-2)连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过质中传播，经过 时间后，到达时间后，到达 距离处的接收换能器。由运动定距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：大大 学学 物物 理理 实实 验验2 驻 波 共 振 法驻波：在同一介质中列频率、振动方向、振幅相同的简谐波，在同一直线沿相反方向驻波：在同一介质中列频率、振动方向、振幅相同的简谐波，在同一直线沿相反方向传播时叠加形成驻波，声波的驻波表达式为传播时叠加形成驻波，声波的驻波表达式为 混波：在同一介质中列频率、振动方向相同但振幅不相同的简谐波，在同一直线沿相混波：在同一介质中列频率、振动方向相同但振幅不相同的简谐波，在同一直线沿相反方向传播时叠加形成混波反方向传播时叠加形成混波,混波的驻波表达式为混波的驻波表达式为声压声压 根据根据得出得出 (9-3)大大 学学 物物 理理 实实 验验发射波发射波反射波的声压方程为反射波的声压方程为 (9-4)所以发射面所以发射面L处的接收面的声压值处的接收面的声压值 (9-5)大大 学学 物物 理理 实实 验验声压节：接收器声压振幅声压节：接收器声压振幅D最小最小 当声压腹：接收器声压振幅声压腹：接收器声压振幅D最大最大大大 学学 物物 理理 实实 验验图图 9-2 超声波产生示意图超声波产生示意图(9-6)由由S1发出的超声波与发出的超声波与S2反射的超声波在反射的超声波在S1与与S2之间的区域相互干涉而形成类似驻之间的区域相互干涉而形成类似驻波波腹和波节的结构的混合波。在驻波系统处于共振时，即波波腹和波节的结构的混合波。在驻波系统处于共振时，即L满足满足 时，接收器声压出现最大值，即测试仪（示波器）上可观测到信号幅度最大。因此，时，接收器声压出现最大值，即测试仪（示波器）上可观测到信号幅度最大。因此，相邻两个共振态之间的距离为相邻两个共振态之间的距离为在实验中，移动在实验中，移动S2，读出连续几个共振状态对应的位置，用逐差法计算声波波长平，读出连续几个共振状态对应的位置，用逐差法计算声波波长平均值，再乘上共振频率均值，再乘上共振频率f就可以算出声速。就可以算出声速。大大 学学 物物 理理 实实 验验3相位比较法（李萨如图形法）相位比较法（李萨如图形法）图图 9-3 驻波法测量声速示意图驻波法测量声速示意图发射波和接收波之间产生相位差发射波和接收波之间产生相位差 （9-7）每改变半个波长的距离，相位差就改变每改变半个波长的距离，相位差就改变 。大大 学学 物物 理理 实实 验验若两个振动的相位差从若两个振动的相位差从 变化，则李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆而再变到变化，则李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆而再变到斜率为负的直线，再经过椭圆变为斜率为正的直线。当相位差斜率为负的直线，再经过椭圆变为斜率为正的直线。当相位差 时，时，此时李萨如图为直线，可选直线的位置作为接收器的测量起点，每移动半个波长会重复出现此时李萨如图为直线，可选直线的位置作为接收器的测量起点，每移动半个波长会重复出现直线。可用这种方法测出波长，记录下共振频率直线。可用这种方法测出波长，记录下共振频率f，就可以计算声速，就可以计算声速v。图图 9-5 李萨如图形示意图李萨如图形示意图图图 9-4 李萨如图形随相位的变化李萨如图形随相位的变化大大 学学 物物 理理 实实 验验 仪仪 器器 用用 具具 1DH-DPL2型多普勒效应及声速综合实验仪型多普勒效应及声速综合实验仪 由多普勒效应实验和声速测量实验两大实验模块组成，由多普勒效应实验和声速测量实验两大实验模块组成，由主测试仪、智能运动控制系统和运动系统三个部份组成由主测试仪、智能运动控制系统和运动系统三个部份组成 2 DS5022ME数字存储示波器数字存储示波器3 温度计温度计4 压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器大大 学学 物物 理理 实实 验验1 DH-DPL多普勒效应及声速综合实验仪多普勒效应及声速综合实验仪图图9-6 主测试仪面板图主测试仪面板图图图9-7 智能运动控制系统面板图智能运动控制系统面板图DH-DPL型多普勒效应及声速综合实验仪由多普勒效应实验和声速测量实验两大实验模型多普勒效应及声速综合实验仪由多普勒效应实验和声速测量实验两大实验模块组成，由主测试仪、智能运动控制系统和运动系统三个部份组成。块组成，由主测试仪、智能运动控制系统和运动系统三个部份组成。大大 学学 物物 理理 实实 验验1、发射换能器、发射换能器 2、接收换能器、接收换能器 3、5 限位保护座限位保护座4、测速光电门、测速光电门 6、接收线支撑杆、接收线支撑杆 7、小车、小车8、测速挡光片和行程撞块、测速挡光片和行程撞块 9、步进电机、步进电机 10、滚花帽、滚花帽11、运动导轨、运动导轨 12、底座、底座 13、光电门、光电门I 14、光电门、光电门II 15、限位、限位 16、电机控制、电机控制 17、光电门、光电门I插座同步电机插座同步电机18、复位键（红色按钮，功能跟智能运动控制系统后面的复位键一样，滚花帽旁边）、复位键（红色按钮，功能跟智能运动控制系统后面的复位键一样，滚花帽旁边）19、步进电机电源开关（灰色按钮，步进电机旁边）、步进电机电源开关（灰色按钮，步进电机旁边）图图9-8运动系统结构示意图运动系统结构示意图大大 学学 物物 理理 实实 验验图图9-9 线路连接示意图线路连接示意图大大 学学 物物 理理 实实 验验2 压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器超声波的发射和接收一般是通过电磁振动和机械振动的相互转换来实现的，最常见的是利超声波的发射和接收一般是通过电磁振动和机械振动的相互转换来实现的，最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现。频率在用压电效应和磁致伸缩效应来实现。频率在20kHz60kHz之间的超声波，采用压电陶瓷换能之间的超声波，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。器作为声波的发射器、接收器效果最佳。图图9-10 纵向换能器的结构简图纵向换能器的结构简图压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。本实验采用纵向换能器。图及弯曲振动换能器。本实验采用纵向换能器。图9-6为纵向换能器的结构简图。为纵向换能器的结构简图。大大 学学 物物 理理 实实 验验实验内容及数据处理实验内容及数据处理 1.直射式时差法直射式时差法 发射、接收换能器均调成发射、接收换能器均调成0度。度。小车的位置大约在小车的位置大约在170210mm之间。之间。测试仪进入测试仪进入“时差法测声速时差法测声速”画面（此时，测试仪输出脉冲波：周期画面（此时，测试仪输出脉冲波：周期40ms，3个个25s s连续脉冲）。连续脉冲）。测试仪的测试仪的“接收增益接收增益”旋钮顺时针调节到最大。旋钮顺时针调节到最大。用示波器观察发射、接收波形。具体调节为：用示波器观察发射、接收波形。具体调节为：a)a)按水平（按水平（HORZONTALHORZONTAL）下的）下的“MENUMENU”，“时基时基”取为取为“Y-TY-T”。b)CH1灵敏度灵敏度2.00V，CH2灵敏度灵敏度500mV或或1.00V，探头都是，探头都是1X。c)Time为为50.00s s。d)d)稳定波形，调节触发部分（稳定波形，调节触发部分（TRIGGERTRIGGER）:信源选择为信源选择为CH1CH1，触发方式选边沿触发、自，触发方式选边沿触发、自动；调节触发电平动；调节触发电平“LEVELLEVEL”使波形稳定。使波形稳定。通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动，列表记录小车的位置通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动，列表记录小车的位置L L和测试仪上和测试仪上的时间的时间T T：大大 学学 物物 理理 实实 验验 逐差法求出声速逐差法求出声速 ,并求出结果表达式：并求出结果表达式：记录室内温度记录室内温度 ，计算声速的理论值计算声速的理论值 ，并将实验值与并将实验值与理论值比较，计算百分差理论值比较，计算百分差 。n123456T(s s)250300350400450500Li(mm)Lj=Li-Li-3(mm)大大 学学 物物 理理 实实 验验2 驻波共振法和相位法实验步骤驻波共振法和相位法实验步骤 发射、接收换能器均调成发射、接收换能器均调成0度。度。小车的位置大约在小车的位置大约在170210mm之间。之间。测试仪进入测试仪进入“多普勒效应实验多普勒效应实验”画面（此时，测试仪输出正弦波）。画面（此时，测试仪输出正弦波）。测试仪上的测试仪上的“发射强度发射强度”旋钮顺时针调节到最大，旋钮顺时针调节到最大，“接收增益接收增益”适中，保证接收适中，保证接收的波形不失真。的波形不失真。用示波器观察发射、接收波形。具体调节为：用示波器观察发射、接收波形。具体调节为：a)a)按水平（按水平（HORZONTALHORZONTAL）下的）下的“MENUMENU”，“时基时基”取为取为“Y-TY-T”。b)CH1灵敏度灵敏度5.00V，CH2灵敏度灵敏度5.00V，探头都是，探头都是1X。c)Time为为5.000s s。d)d)稳定波形，调节触发部分（稳定波形，调节触发部分（TRIGGERTRIGGER）:信源选择为信源选择为CH1CH1，触发方式选边沿触发、自，触发方式选边沿触发、自动；调节触发电平动；调节触发电平“LEVELLEVEL”使波形稳定。使波形稳定。e)e)如果发现波形没有占据屏幕大部分空间，可适当改变如果发现波形没有占据屏幕大部分空间，可适当改变CH1CH1、CH2CH2的电压灵敏度。的电压灵敏度。f)f)特别：可以利用特别：可以利用“AutoAuto”按键自动调节出波形。按键自动调节出波形。大大 学学 物物 理理 实实 验验 调共振：按下调共振：按下“CH1CH1”再按下再按下“OFFOFF”屏蔽屏蔽CH1CH1的信号；改变测试仪的源频率（的信号；改变测试仪的源频率（f f37000Hz37000Hz，初始值），初始值），使接收波幅达到最大值（此时，示波器测量，使接收波幅达到最大值（此时，示波器测量CH2CH2的峰峰值），记录此时的频率：的峰峰值），记录此时的频率：移动小车，观察接收波有无失真，如失真，将移动小车，观察接收波有无失真，如失真，将“接收增益接收增益”调小（若调小（若“接收增益接收增益”已最小，可调已最小，可调小小“发射强度发射强度”）。）。通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动（通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动（小车的初始位置大约在小车的初始位置大约在170210mm之间之间），远），远离发射端，找出相邻的离发射端，找出相邻的6 6组声压腹（接收波幅极大值），列表记录相应小车的位置和电压峰峰值：组声压腹（接收波幅极大值），列表记录相应小车的位置和电压峰峰值：n123456Li(mm)Upp（V）j=2(Li-Li-3)/3(mm)逐差法求出波长逐差法求出波长 ，利用，利用 得出声速得出声速 ，并求出结果表达式：，并求出结果表达式：，并将实验值与理论值比较，计算百分差。并将实验值与理论值比较，计算百分差。大大 学学 物物 理理 实实 验验 示波器按水平（示波器按水平（HORZONTALHORZONTAL）下的）下的“MENUMENU”，“时基时基”取为取为“X XY Y”。通过转。通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动（动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动（小车的初始位置大约在小车的初始位置大约在170210mm之间之间），远离发射端，找出相邻的，远离发射端，找出相邻的6 6组直线，列表记录相应小车的位置，数据处理与组直线，列表记录相应小车的位置，数据处理与相相同同：n123456图形图形/Li(mm)j=2(Li-Li-3)/3(mm)3 误差分析：分析和比较误差分析：分析和比较3种方法前面的结果，找出种方法前面的结果，找出 主要误差来源。主要误差来源。大大 学学 物物 理理 实实 验验注意事项注意事项n标尺的精度为标尺的精度为0.05mm，仪器误差约定为，仪器误差约定为0.05mm，不须估读，读数方法与游标卡尺相同。，不须估读，读数方法与游标卡尺相同。n小车的位置最远不要超过小车的位置最远不要超过350mm。n时差法测声速时等待时差法测声速时等待T稳定后再读数。稳定后再读数。大大 学学 物物 理理 实实 验验思考题思考题n为什么实验过程中要保持换能器为什么实验过程中要保持换能器S1和和S2相对的两个端面互相平行？否则会有什么后果？相对的两个端面互相平行？否则会有什么后果？n为什么要在换能器系统处于共振状态下测声速？为什么要在换能器系统处于共振状态下测声速？n怎么调节出共振状态？怎么调节出共振状态？n用相位比较法测量声速时，怎样才能在示波器上观察到李萨如图形？选择什么样的李萨如用相位比较法测量声速时，怎样才能在示波器上观察到李萨如图形？选择什么样的李萨如图形进行测量？图形进行测量？n驻波法和相位比较法测量声速的精度一样吗？试分析原因。驻波法和相位比较法测量声速的精度一样吗？试分析原因。n在实验中，常常测量连续几个半波长的长度，而不是测量每个波长，这样做有什么好处？在实验中，常常测量连续几个半波长的长度，而不是测量每个波长，这样做有什么好处？n应用超声波测量声速的原理是否可用设计超声温度计？如果应用超声波测量声速的原理是否可用设计超声温度计？如果10个波长精确到个波长精确到0.02mm，即，即每个波长精确到每个波长精确到0.002mm，在频率不变的情况下，能测到最小温度间隔是多少？，在频率不变的情况下，能测到最小温度间隔是多少？【利用利用误差知识处理误差知识处理】