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。

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2 声速的测量 声速的测量

3 【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。

4 【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。

5 【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 。

6 【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。

7 【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。

8 【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。

9 【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。

10 【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 。

11 （ 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 ℃。

12 2 ．时差法测水中声速 （ 1 ）换能器 S 1 、 S 2 按图 5.6-4 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 。

13 【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。

14 【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 。

15 结 束 祝同学们顺利完成实验！

16 声速测定仪实验装置图 图 5.6-2 声速测定仪实验装置图