空气-液体介质的声速测量 (SV4型声速测定仪) 实 验 讲 义 杭州精科仪器有限公司
空气、液体介质的声速测量 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，颜率低于20Hz的声波称为次声波：频率在 20Hz~20kHz的声波可以被人听到，称为可闻声波：频率在20kHz以上的声波称为超 声波 超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测 定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气（气体）、蔗糖（溶液）的浓度、 氯1橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面，等等，这些问题都可以通过测定这 些物质中的声速米解决。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。同时，通过 液体中声速的测量，了解水下声纳技术应用的基本概念 【实验目的】 1,了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解 2,学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。 3.通过用时差法对不同介质的测量，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V、波长入和频率f之间存在着下列关系：V=f,入，实验中可 通过测定声波的波长入和频率f米求得声速V。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 声波传播的距离L与传播的时间t存在下列关系：L=V·t,只要测出L和t就可 测出声波传播的速度V,这就是时差法测量声速的原理。 1.共振干涉法（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： E=A·cos(ot-2π·X/久)、波束2：E,=A·c0s(ot+2π·X/入)，当它们相交会时 登加后的波形成波束3：F=2A·cos(2π·X/久)·cos0t,这里0为声波的角频率，t1为 经过的时间，X为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按c0s(2π●X/入) 变化。如图1所示。压电陶瓷换能器S,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S,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 接收到的信号幅度的包络波 图1 发射换器与接收换能器之间的距离 声压信号产生的正弦波形。声源S,发出的声波，经介质传播到S,在接收声波信号的同 时反射部分声波信号，如果接收面(S,)与发射面(S,)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S,处的振动情况。移动S,位置（即改变S,与S,之间的距离）， 你从示波器显示上会发现当S,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 离均为入/2。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，缓慢的 改变S,和S,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S,移动过的距离亦为入/2，超声换能器S,至S,之间的距离 的改变可通过转动螺杆的鼓轮米实现，而超声波的频率又可由声波测试仪信号源频率显示 窗口直按读出。在连续多次测量相隔半波长的S,的位置变化及声波频率f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。 2.相位法测量原理： 声源S,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△中不随时间变化。 0=元4 0=π/2 =3π4 图2接收信号与发射信号形成李萨如图 设声源方程为： E=Fo1·cos@t 距声潭X处S,按牧到的振动为：5=Ea·60s6-为 两处振动的相位差： A0=0 X 当把S,和S,的信号分别输入到示波器X轴和Y轴，那么当X=n·入即△Φ=2n元 时，合振动为一斜率为正的直线，当X=(2n+1./2,即△Φ=(2n+1π时，合振动为 一斜率为负的直线，当X为其它值时，合成振动为椭圆（如图2）。 3。时差法测量原理： 2
以上二种方法测声速，都是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波间的相位差，原 理是正确，但存在读数误差，较精确测量声速是用时声波差法，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1时 间后，到达L距离处的接收换能器，所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。 速度V=L/t。 发射换能器波形 接收换衡器波形 7鼎一 图3用时差法测量声速的波形图 【实验仪器】 实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的SV4型声速测定仪及SV5型声速测定专 用信号源各一台。其外形结构见图4。SV4型声速测量组合仪适用于空气、液体介质声速 测定使用： 图4SV4型声速测定仪实物照片 组合仪主要由储液槽、传动机构、数显标尺、压电换能器等组成。压电换能器供测量 气体和液体声速用。作为发射超声波用的换能器S,固定在储液槽的左边，另一只接收超 声波用的接收换能器S,装在可移动滑块上。通过传动机构进行位移，并由数显表头显示位 移的距离、 S,发时换能器超声波的正弦电压信号由SV5声速测定专用信号源供给，换能器S,把 按收到的超声波声压转换成电压信号，用示波器观察：时差法测量时则还要接到专用信号 源进行时间测量，测得的时间值具有保持功能。 3
【实验内容】 一，声速测量系统的连接 声速测量时：专用信号源、SV4型声速测定仪、示波器之间，连接方法见图5一1、 -2。 0000:ma巴n 图5一1共振法、相位法测量声速线路连接 000a=mas口 不了6eeO 图5一2时差法测量声速线路连接 二。诺振频率的调节 根据测量要求初步调节好示波器。将专用信号源输出的正弦信号频率调节到换能器的 谐振频率，以使换能器发射出较强的超声波，能较好地进行声能与电能的相互转换，以得 到较好的实验效果，方法如下： 1.将专用信号源的发射波形”端接至示波器，调节示波器，能清楚地观察到同步的正弦 波信号：