空气、液体介质的声速测量.doc

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, 频率低于 Hz 20 的声波称为次声波; 频率在 kHz 20 ~ Hz 20 的声波可以被人听到,称为可闻声波;频率在 kHz 20 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***气(气体) 、蔗糖(溶液)的浓度、***丁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来解决。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****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。【实验原理】在波动过程中波速 V 、波长?和频率 f 之间存在着下列关系: ???fV ,实验中可通过测定声波的波长?和频率 f 来求得声速 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: tVL??,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(本次实验略)。 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: )/X2t cos( AF 1???????、波束 2:?????????/X2t cos AF 2 , 当它们相交会时, 叠加后的波形成波束 3:?? t cos /X2 cos A2F 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?????/X2 cos 变化。如图 1 所示。压电陶瓷换能器 1S 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 2S 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 1S 发出的声波,经介质传播到 2S ,在接收声波信号的同时反射部分声波信号,如果接收面( 2S )与发射面( 1S )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 2S 处的振动情况。移动 2S 位置(即改变 1S 与2S 之间的距离) ,你从示波器显示上会发现当 2S 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 1S 和2S 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 2S 移动过的距离亦为 2/?。超声换能器 2S 至1S 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 2S 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