物理实验教学资源（实验讲义）【JF2729A型】综合测量杨氏模量、声速实验仪.docx

声速杨氏模量测量【橛述】率在2×10~10范围声波称超声波。超声波存在于自然界中，如动物叫声边超声范用：人类利用超声海洋探测、导航、探伤等：日常生活中金属匙撞击能产生超声波：医学上用干人体诊8超、影超等扬氏最是描固体材料抵形能力的物理量是老征材料性质的一个物理量，扬模量仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。杨氏模量和泊松比无论在材料结构模型实验中还是在材料结构分析中，都是重题的力学参数之一就验置士要特点能利用超声波测量在空气、液体【可做实验内容】 1.测量空气、液体和固体中的声速 2.固体材料探伤测量固体板材的杨氏模量【注意事项】 1.要使用双通道数字示波器，带宽不低于60M 2.实验中超声探头与周材接触面需要涂覆耦合剂。【实验目的】解压电效应及超声波的产生原理测量超声在不同介质中传播的声速和传播规律。 3、用超声测量固体介质的弹性模量E和。【实验原理】压电效应及超声波的产生超声波可以通过压电效应来产生和接收超声波具有压电效应的固体物质，在外力的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体的表面出现正、负束缚电荷， 1 一效应称为压电效应（接收）。通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效应，即当对其施加电压后会发生形变。利用逆压电效应产生超声波（发射）。用鸡生灰桃修染核流热是片在生鞋生上风生如酒动，并形成驻波，如果晶片的两侧存在其它弹性介质，则会向两侧发射弹性波，波的料和厚度有关。适选择品片的厚度，使产生弹性拨的领东围内，则该晶片即可产生超声波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，因此它发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波。二、超声波在介质中的传播规律方向-致时，晶片内部质点的振动方向垂直于品片平面，那么晶片向外发射的就是超声纵波，压电材料产生的都是纵波。横波：当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此超声波为横波

声速杨氏模量测量【概述】频率在 2×104Hz～1012Hz 范围声波称超声波。超声波存在于自然界中，如动物叫声达超声范围；人类利用超声海洋探测、导航、探伤等；日常生活中金属匙撞击能产生超声波；医学上用于人体诊断(B 超、彩超)等。杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量,是表征材料性质的一个物理量，杨氏模量仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。杨氏模量和泊松比无论在材料结构模型实验中还是在材料结构分析中，都是重要的力学参数之一一。本实验装置主要特点能利用超声波测量在空气、液体、固体介质中传播速度和能用超声波无损测量固体板材的杨氏模量等，并且多种实验都组合在一台装置中。【可做实验内容】 1. 测量空气、液体和固体中的声速; 2. 固体材料探伤; 3. 测量固体板材的杨氏模量; 【注意事项】 1.要使用双通道数字示波器，带宽不低于 60M； 2.实验中超声探头与固材接触面需要涂覆耦合剂。【实验目的】 1、了解压电效应及超声波的产生原理; 2、测量超声在不同介质中传播的声速和传播规律； 3、用超声测量固体介质的弹性模量 E 和 µ。【实验原理】一、压电效应及超声波的产生超声波可以通过压电效应来产生和接收超声波。具有压电效应的固体物质，在外力的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应(接收)。通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效应，即当对其施加电压后会发生形变。利用逆压电效应产生超声波(发射)。用于产生和接收超声波的材料一般被制成片状( 晶片)，并在其正反两面镀上导电层(如镀银层)作为正负电极。如果在电极两端施加一脉冲电压，则晶片发生弹性形变，随后发生自由振动，并形成驻波，如果晶片的两侧存在其它弹性介质，则会向两侧发射弹性波，波的频率与晶片的材料和厚度有关。适当选择晶片的厚度，使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内，则该晶片即可产生超声波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，因此它发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波。二、超声波在介质中的传播规律超声波在介质中通常有以下三种传播形式:纵波:当介质中质点振动方向与超声波的传播方向--致时，此超声波为纵波。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波，如果晶片内部质点的振动方向垂直于晶片平面，那么晶片向外发射的就是超声纵波，压电材料产生的都是纵波。横波:当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此超声波为横波

固体介质除了发生体积变形外，还发生切变变形，因此，当其有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。表面波：是沿者固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表振动质点的轨迹为上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。气体介质中只能传播纵波，液体介质中可以同时传播纵波和横被】固体介质中可以同时传播纵波和横波 (固体表面可以传播表面波) 对于同一种固体材料，其纵波波速和横波波速的大小它们由弹性固体介质的弹性参数（密度、杨氏模量等决定。反之，如果已知超声波的声速，则可以推知固体材料有关的弹性常数。与所有的波.样，超声波在两种介质界面上会发生折射和反射。特别地，当超声波要从波速较授的介质进入波速较快的介是波型转换：即当两种介三、超声在介质中的声速测量已知超声在某种介质中的传播距离，通过测量出超声在介质中的传播时间，则可以计算出超声在介质中传播的声速：如果已知超声在某种介质中的传播速度，通过测量出超声在介质中的传播时间，则可以测量出招声在介质中的传播臣离。透射式测量方法一只超声探头发射一个超声波从介质的一个表面入射进入介质，在介质的另个表面透射出去，被另一只超声探头接收，通过示波器观测超声脉冲从发射至接收所用的时间T。若己知介质两个表面之间的距离5，则可计算出超声在介质中传播的声速V反之若已知超声在介质中的传播速度V,则可计算出超声在介质中的传播距离： S=VT 1.共振干涉法（驻波法）测量声速的原理（气体：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： F=Acos(o1-2π·X/)、波束2：E=Acos(@t+2πX/),当它们相交会时叠加后的波形成波束3：F3=2A·cos(2π·X/)·cosot,这里o为声波的角频率，t为接收到的信号幅度的包络被图1发射换能海与拨牧换能器之同的面离经过的时间，X为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按cOs(2π●X/)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

固体介质除了发生体积变形外，还发生切变变形，因此，当其有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。表面波:是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成，振动质点的轨迹为一椭圆，在固体内距表面 1/4 波长处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。气体介质中只能传播纵波, 液体介质中可以同时传播纵波和横波，固体介质中可以同时传播纵波和横波 (固体表面可以传播表面波)。对于同一-种固体材料，其纵波波速和横波波速的大小一般不一-样，它们由弹性固体介质的弹性参数(密度、杨氏模量等决定。反之，如果已知超声波的声速，则可以推知固体材料有关的弹性常数。与所有的波- -样，超声波在两种介质界面上会发生折射和反射。特别地，当超声波要从波速较慢的介质进入波速较快的介质时，还可能发生全反射。超声波在界面传播有一个现象是波型转换:即当两种介质中的--种为固体时，反射和折射波中可以包含另外类型波的成分。三、超声在介质中的声速测量已知超声在某种介质中的传播距离,通过测量出超声在介质中的传播时间，则可以计算出超声在介质中传播的声速;如果已知超声在某种介质中的传播速度,通过测量出超声在介质中的传播时间，则可以测量出超声在介质中的传播距离。透射式测量方法一只超声探头发射一个超声波从介质的一个表面入射进入介质，在介质的另一个表面透射出去,被另一只超声探头接收，通过示波器观测超声脉冲从发射至接收所用的时间 T。若已知介质两个表面之间的距离 S,则可计算出超声在介质中传播的声速 V,反之若已知超声在介质中的传播速度 V,则可计算出超声在介质中的传播距离: S=VT 1. 共振干涉法（驻波法）测量声速的原理(气体)：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： cos( 2 / ) F1 = A• t −  • X  、波束 2：F = A•cos(t + 2•X/) 2 ，当它们相交会时，叠加后的波形成波束 3：F 2A cos(2 X/ ) cos t 3 = • •  •  ，这里  为声波的角频率， t 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 cos(2•X/) 变化。如图 1 所示。压电陶瓷换能器 S1 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 S2 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声压信号产生的正弦波形。声源 S1 发出的声波，经介质传播到 S2 ，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（ S2 ）与发射面（ S1 ）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 S2 处的振动情况。移动 S2 位置（即改变 S1 与 S2 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来实现，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接读出。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（气体）：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。设声源方程为： E=Eo1·cosot 距声源X处S,接收到的振动为：,=(t- 长史⊕母出 0= 8=π2 图？接收信号与发射信号形成李萨如图两处振动的相位差： 4D=0X 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=2π时，合振动为一斜率为正的直线，当X=(2n+1九/2，即△中=(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.脉冲法测量原理（液体、固体：以上二种方法测声速，是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波的相位差，原理是正确的，但存在读数误差。较精确测量声速的方法是采用声波时差法，时差法在工程中得到了泛的应用。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，经过时间1 后，到达距离为L处的接收换能器，那么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

上会发现当 S2 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 / 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 S1 和 S2 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 S2 移动过的距离亦为 / 2 。超声换能器 S2 至 S1 之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，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接读出。在连续多次测量相隔半波长的 S2 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(气体)：声源 S1 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  不随时间变化。设声源方程为： F F cos t 1 = 01 •  距声源 X 处 S2 接收到的振动为： ) Y X F F cos (t 2 = 02 •  − 两处振动的相位差： Y X  =  当把 S1 和 S2 的信号分别输入到示波器 X 轴和 Y 轴，那么当 X = n • 即  = 2n 时，合振动为一斜率为正的直线，当 X = (2n +1)/ 2 ，即  = (2n +1) 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．脉冲法测量原理(液体、固体)：以上二种方法测声速，是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波的相位差，原理是正确的，但存在读数误差。较精确测量声速的方法是采用声波时差法，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，经过时间 t 后，到达距离为 L 处的接收换能器，那么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