声速的测定

超声波由于振动频率高，具有波长短、易于定向传播等优点，被用来测量声音在弹性介质中的传播速度效果比较好。海底声呐测距就是利用超声波的这些特点。

【实验目的】

（1）了解压电陶瓷换能器的功能及超声波产生与接收的原理。

（2）学会用共振干涉法和相位比较法测定声速。

（3）学会用逐差法处理数据。

（4）液体中声速的测量（选作）。

【实验原理】

用压电陶瓷换能器将频率可调可读的高频（f ＞20 kHz）正弦波发射电压信号转换成超声波的机械振动信号，接收端换能器将声压信号再转化为电压信号，然后利用共振干涉法或相位比较法测出超声波在介质中的波长，根据波动理论，介质中声速vfλ=，从而可得到声音在空气、水等介质中传播的速度。

1. 共振干涉法测波长

共振干涉法是利用驻波原理，换能器发射端与接收端的超声波相向叠加干涉形成驻波，图3-6所示为某一时刻，驻波在两换能器间的合振动信号幅度的包络线，虽然接收端与发射端声波振幅有差异，但两者频率相同，不影响驻波振幅周期性分布。示波器上显示的是两相干波叠加后在接收端的振动情况。通过转动鼓轮来改变接收端位置，可以看到合振动在接收端的振幅作周期性变化。根据波的干涉理论，两个相邻的最大或最小振幅的距离均为原波源波长的一半/2λ（）。移动的距离可以通过声速测试仪上的刻度尺或数字显示刻度表读出。

图3-6　换能器间距与驻波包络线

2. 相位比较法测波长

将发射信号和接收信号通过示波器进行水平与垂直方向叠加，然后在示波器上显示两频率之比为1:1的李萨如图形，移动接收端即可改变接收信号的相位，根据相移θΔ与位移间距Δx 之间的关系Δθ=2πΔx /λ知，该李萨如图形从斜率为+1直线重合到斜率为-1直线，接收端相位时间上变化半个周期，对应着接收端空间距离变化半个波长。同样也可以测量接收端的移动距离来测量波长。

【实验仪器】

SV-DH声速测试仪、SVX-7型多功能信号源。

【实验内容】

1. 测量换能器谐振频率

（1）按图3-7所示接好线路，根据实验所用压电陶瓷换能器的固有频率范围，将信号源的输出频率调到谐振频率38 kHz附近，将示波器显示模式调到CH2观察接收端超声波振动情况。

图3-7　声速测定实验连线

（2）选择合适的X偏转因数，一般选10 μs/Div或20 μs/Div，选择合适的Y偏转因数，转动鼓轮使接收端距离发散端50 mm之外某一位置。

（3）先粗调信号源频率，示波器上有波形后再细调频率至接收端波形振幅达到最大，其间要不断调整Y偏转因数，尽量使波形铺满整个屏幕，谐振点在频率细调旋钮调小和调大时，屏幕上波振幅均减小。

（4）重复（2）、（3）步骤共测量5个不同位置的谐振频率，位置信息不用记录，然后取平均值，将信号源调成频率均值，并保持不变。

2. 共振干涉法或相位比较法测波长

（1）将接收端调至距离发送端50 mm附近某一位置，转动鼓轮使示波器上波形振幅达到最大或李萨如图形为斜直线，将位置刻度数字显示清零或直接读游标尺上示数作为第一个位置信息记录点。

（2）逆时针旋转鼓轮4圈多一点，寻找下一个相邻的波形振幅最大或李萨如图形为斜直线的点，再次记录接收端换能器的位置刻度。

（3）重复上一步的操作继续采点，直到满足记录要求测量的位置个数为止。

【注意事项】

（1）两换能器的最小测试间距控制在50 mm之外，严禁将两换能器直接接触。

（2）超声波场内介质要均匀，避免接线穿过声波场。

（3）由于超声波在介质中传播时衰减较大，其振幅随着两换能器间距增加而变小，所以实验中需根据情况调节示波器的Y轴增益（含微调旋钮）。

（4）在调节发射波频率过程中，如果出现示波器上波形失真，可适当调节信号源的接收增益和连续波强度。

【数据处理】

将测量换能器谐振频率f的数据记录于表3-3中。

表3-3　数据记录表

Δ仪＝0.001 kHz，f的不确定度：

利用共振干涉法测12个振幅最大点，将数据填入表3-4中。

表3-4　数据记录表

表3-5　数据记录表

【思考题】

为什么要测量波源与换能器的谐振频率？