在超声波段进行声速测量时,由于超声波波长短,易于定向发射和被反射,使得在短距离内能够较为精确地测量声速。超声波的发射与接收通常通过电磁振动与机械振动的转换来实现,最常用的实现方式是利用压电效应和磁致伸缩效应。本实验使用的是由压电陶瓷制成的换能器(探头),这种材料可以在机械振动与交流电压之间双向转换。
声波的传播速度与频率和波长的关系为:声速可通过测量声波的频率和波长来确定。同样,若测得声波传播的距离L和传播时间t,亦可计算出声速。本实验采用的声速测定方法包括共振干涉法、相位比较法、时差法和逐差法。
共振干涉法的实验装置如图1所示,图中和分别为压电晶体换能器,作为声波源,它们被低频信号发生器输出的交流电信号激励,发生受迫振动并向空气中发出近似平面声波;为超声波接收器,当和的表面近似平行时,声波在两个平面间来回反射,当两平面间距L为半波长的整数倍时,声波与反射声波在处相位差为(n=1,2……),从而形成共振。接收器的输出在共振时会出现明显增大,从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值。
相位比较法则基于波沿传播方向的任何两点同相位时,两点间距离为波长整数倍的原理。实验装置同样如图1所示,移动接收器直至接收到的信号再次与发射器位相相同时,一国的距离等于与声波的波长。利用李萨如图形也可以判断位相差,当两信号的位相差为0或时,李萨如图会变成倾斜的直线。
时差法则是通过测量声波在特定距离L上的传播时间t来计算声速。实验装置与上述方法相同,由信号源提供的脉冲信号经发出一个脉冲波,该脉冲信号经过一段距离后被接收,并返回信号源。信号源内部线路分析比较处理后输出脉冲信号在、之间的传播时间t,传播距离L可通过游标卡尺读出,声速可由公式(2)计算得出。
数据处理方面,本实验采用逐差法。若用游标卡尺测出个极大值的位置,依次算出每经过个的距离为,即可计算出声速。若测不到20个极大值,则可少测几个(一定是偶数),用类似方法计算即可。
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文章来源:天狐定制
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