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声速的测量声速的测量

【实验简介】【实验简介】声波是在弹性媒质中传播的一种机械波、纵波，其在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。通过媒质中声速的测量，可以了解被测媒质的特性或状态变化，因而声速测量有非常广泛的应用，如无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等。

【实验目的】 1 ．了解声速测量的基本原理。 2 ．学会三种测量声速的方法。 3 ．掌握用逐差法处理数据的方法。

【实验原理】【实验原理】 1 ．空气中的声速声速的大小与声波的频率无关，仅决定于媒质的性质，温度是影响空气中声速的主要因素。在温度为 t ℃时的声速为。由波动理论可知，声速，声源的振动频率和声波波长间的关系为。如果声波在媒质中 t 时间内传播的距离为 L ，则声速为。

【实验原理】 2 ．压电陶瓷超声换能器的工作原理在声速测量中，采用压电陶瓷超声换能器作为声波的发射器和接收器。压电陶瓷超声换能器声速测量仪中换能器 S 1 作为声波的发射器是利用了压电材料的逆压电效应。压电陶瓷环片在交流电压作用下，发生纵向机械振动，在空气中激发超声波。换能器 S 2 作为声波的接收器是利用了压电材料的压电效应。空气的振动使压电陶瓷环片发生机械形变，从而产生电场，把声信号转变成了电信号。

【实验原理】 3 ．声速的测定（ 1 ）共振干涉法当两超声换能器的平面平行时， S 1 发出的超声波经 S 2 反射，入射波与反射波为相干波，两平面间的合成波可近似看成是驻波。则合成后各点的振幅为。由此可知，合成后相邻两波腹或相邻两波节间的距离为。定义声压 P 为有声波传播时媒质中的压强与无声波传播时媒质中静压强之差。波腹处声压为零，波节处声压最大。声压和位移的相位差为。当输出的正弦交流电信号频率与压电陶瓷超声换能器的固有频率相同时，发射换能器 S 1 处于共振状态，此时，发射的超声波能量最大。相邻两电压最大值之间的距离即为相邻两波节之间的距离，从而求出声波的波长。

【实验原理】（ 2 ）时差法时差法测量声速的基本原理是基于速度 = 距离 L / 时间 t 。由计时电路控制，发射换能器 S 1 定时发出一个声脉冲，经过一段距离的传播后到达接收换能器 S 2 。由高精度计时电路得到声波从发出到接收在媒质中传播的时间，并由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出，声波传播的距离由数显表头记录，从而计算出声波在媒质中的传播速度。

【实验仪器介绍】 SVX-5 声速测试仪信号源 “ 信号频率 ” 用于调节输出信号的频率； “ 发射强度 ” 用于调节输出信号电功率； “ 接受增益 ” 用于调节内部的接受增益。 “ 测试方法 ” 设置在 “ 连续波 ” 方式时，面板左上方显示窗显示频率（ kHz ）；设置在 “ 脉冲波 ” 方式时，显示窗显示时间（ μs ）。当测量系统处于共振状态时，面板左下角 “ 信号指示灯 ” 应亮，并且在测量过程中应一直保持亮。

【实验内容】 1 ．共振干涉法测空气中声速（ 1 ）测定压电陶瓷超声换能器系统的最佳工作点。声速测试仪信号源面板上 “ 测试方法 ” 设置为 “ 连续波 ” ， “ 传播介质 ” 设置为 “ 空气 ” ， “ 发射强度 ” 和 “ 接收增益 ” 旋钮顺时针旋在较大位置。缓慢调节 “ 信号频率 ” 旋钮使交流毫伏表指针指示最大（或晶体管电压表的示值达到最大），此时系统处于共振状态，显示共振发生的信号指示灯亮，信号源面板上频率显示窗口显示共振频率（ kHz ）。此状态为压电陶瓷换能器系统的最佳工作点。（ 2 ）移动 S 1 ，使晶体管电压表的示值达到最大，由数显表头读数记录 S 1 所在位置 x 1 。

（ 3 ）依次移动 S 1 ，观察电压表，每当示值达到最大时，记录 S 1 所在位置 x 2 、 x 3 、 …x 32 （相邻位置之间的距离为 /2 ）。每测 4 个 x i 值，须记录一次频率值。（ 4 ）记录实验室温度 t ℃。

2 ．时差法测水中声速（ 1 ）换能器 S 1 、 S 2 按图所示连接。信号源面板上 “ 测试方法 ” 设置为 “ 脉冲波 ” ， “ 传播介质 ” 设置为 “ 液体 ” ，此时面板上显示窗口显示时间（ μs ）。（ 2 ）旋转鼓轮，使 S 1 、 S 2 相距 7cm 左右。调节 “ 接收增益 ” 旋钮，使定时器工作在最佳状态，即显示窗口读数稳定。（ 3 ）缓慢移动 S 1 ，同时观察时间显示窗口，当时间读数增加 10μs 时，由数显表头读数记录 S 1 所在位置 x 1 ，（ 10μs 内声波在水中传播的距离）。依次移动 S 1 ，观察时间显示窗口，每增加 10μs 时，由数显表头读数记录 x 2 、 x 3 、 …x 12 。

【注意事项】 1 ．测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，以避免空程误差。 2 ．电源接通时，两超声换能器不得接触。 3 ．测水中声速时，水不得进入数显表头。

【数据处理及作业】 1 ．列表记录实验数据。 2 ．计算空气中声速的最佳估计值，合成不确定度 u 、相对不确定度和百分偏差。（ 1 ）逐差法处理数据。（ 2 ）计算声速的不确定度 u 和相对不确定度。（ 3 ）正确表示测量结果（要求值信概率 P=0.683 ）。（ 4 ）计算空气中声速的百分偏差。 3 ．计算水中声速的最佳估计值和百分偏差。（ 1 ）逐差法处理数据，计算水中声速的最佳估计值。（ 2 ）计算水中声速的百分偏差。 4 ．分析讨论题 1 、 2 。

结束祝同学们顺利完成实验！

声速测定仪实验装置图图声速测定仪实验装置图