超声声速的测定

超声声速的测定

声波是在弹性介质中传播的一种机械波。振动频率在20 ~ 20000HZ的声波为可闻声波，频率超过20000HZ的声波称为超声波。对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。在石油工业中，常用声波测井获取孔隙度等地层信息，在勘探中常用地震波勘测地层剖面寻找油层。因此声速的测量具有重要意义。

一、实验目的

1．加深对振动合成的理解。

2．掌握用驻波法和相位比较法测声速。

二、教学要求

1．三小时完成实验。

2．了解超声压电换能器的结构和原理；

3．进一步掌握信号源和示波器的使用；

4．用驻波法测出超声波的频率和波长，并计算出声速；

5．用相位比较法测出超声波的频率和波长，并计算出声速；

6．.对测量结果进行评价，写出合格的实验报告；

三、教学重点和难点

难点：理解驻波法和位相法测声波波长的原理。

重点：测超声波的波长。

用讨论方式组织教学，充分调动同学们的学习积极性和主观能动性。

四、讨论内容（约20分钟）

讨论可直接在预习基础上进行，也可在课前布置讨论题学生准备后进行。

1．为什么先要调整换能器系统处于谐振状态？怎样调整谐振频率？

让同学们理解产生共振的条件（调信号源频率等于换能器固有频率）；实验中如何调节使其获得谐振状态（粗调频率使S1指示灯亮；移动S2同时细调频率，使示波器上出现的正弦波振幅最大）。2．利用本实验给出的仪器，有几种方法可测出超声波的波长？各自的原理是什么？实验是如何进行的？

让同学们理解测声速的实验公式υ= λ⋅ｆ；产生驻波的条件（两列在同一直线上沿相反方向以相同速度传播的相干波）；实验中由压电陶瓷换能器S1（产生超声波）、S2（反射与输出）两端面间距离满足L n=nλ/2来实现。

位相法测声波波长的原理是移动S2可得系列∣L i+1 - L i∣=λ/2与声源同位相或反相位的位置；将S2输出信号与S1的激励信号同时输入示波器的X、Y轴方向，进行振动合成；选择相位差分别为△ϕ=（2n+1）π和∆ϕ=2nπ时的李萨如图形（直线）来观测超声波波长。

利用双显法（把接线头的信号与发射头的激励信号输入y1、y2通道，同时显示图形并比较、移动接收头寻找同位相点的位置）也可测超声波的波长。

3．开展讨论课需注意：(1)讨论题要精心设计；(2)准备要充分；(3)内容要有多样性；(4)要把握好讨论过程，要充分发挥学生的主体作用和教师的主导作用。

五、指导要点

1．示波器电源打开后可连续使用，不要时开时关，以免高压对仪器造成损害。暂时不用时可将辉

度调暗。辉度过大时荧光屏寿命有影响。

2．x 、y增幅暂为零时，屏中亮点直径1mm；聚焦应调至图线为亮细线。

3．若图形的终点与起点间出现一条较暗的图线（回扫线），说明辉度过大，应调小至回扫线消失。4．示波器有时图形有闪烁现象，这是由于荧光粉余辉时间短造成的，是正常现象。

5．不见水平亮线。光迹偏离；触发方式选择开关应置“自激”；扫描开关没打开进行扫描。6．S1、S2两端面应平行；信号源电源打开后S1与S2不准接触。

7．S1上的指示灯不亮。信号源输出频率与换能器谐振频率相差太远（S1的灯亮并不说明已达谐振频率，还应微调至波形振幅最大。）；指示亮泡已坏。

8．图形不稳定（图形左右移动），调节电平纽使之稳定。

9．驻波法测λ中，随着S2远离S1，波形振幅越来越小。由于波传播过程中有能量损失，S2与S1越远，S1反射的波的振幅越来越小的缘故。在测量时为了便于观察，可增大y1偏转因数。

10．频率有改变，信号源输出频率有少量漂移，是正常现象，处理数据取平均值。

11．用位相法测λ时，李萨如图形失真。扫描信号发生器（示波器内部）未关闭（图形中有缺口）；

x、y偏转因数不协调；仪器本身有故障。

12．波长测得值不对。谐振频率没调到位；没有真正在振幅最大或直线状态进行测读；没使用微调并有移动；读数出错。