超音波波速測量

聲波是一種在彈性媒質中傳播的縱波。對超音波（頻率超過2×104Hz的聲波）傳播速度的測量在超音波測距、測量氣體溫度瞬間變化等方面具有重大意義。超音波在媒質中的傳播速度與媒質的特性及狀態因素有關。因而通過媒質中聲速的測定，可以了解媒質的特性或狀態變化。例如，測量氯氣（氣體）、蔗糖（溶液）的濃度、氯丁橡膠乳液的密度以及輸油管中不同油品的分界面等等，這些問題都可以通過測定這些物質中的聲速來解決。可見，聲速測定在工業生產上具有一定的實用意義。同時，通過液體中聲速的測量，了解水下聲納技術套用的基本概念。

基本介紹

• 中文名：超音波波速測量
• 外文名：Ultrasonic velocity measurement
• 聲波：一種在彈性媒質中傳播的縱波
• 超音波：頻率超過2×104Hz的聲波
• 測量方法：共振干涉法、相位比較法

實驗目的

（1）用共振干涉法和相位比較法測量聲速。

（2）了解壓電陶瓷換能器的功能。

（3）進一步熟悉示波器的使用。

（4）通過用時差法對多種介質的測量，了解聲納技術的原理及其重要的實用意義。

實驗原理

由波動理論得知，聲波的傳播速度v與聲波頻率 和波長 之間的關係為 。所以只要測出聲波的頻率和波長，就可以求出聲速。其中聲波頻率可由產生聲波的電信號發生器的振盪頻率讀出，波長則可用共振法和相位比較法進行測量。時差法可通過測量某一定間隔距離聲音傳播的時間來測量聲波的傳播速度。

壓電陶瓷換能器

本實驗採用壓電陶瓷換能器來實現聲壓和電壓之間的轉換。它主要由壓電陶瓷環片、輕金屬鉛（做成喇叭形狀，增加輻射面積）和重金屬（如鐵）組成。壓電陶瓷片由多晶體結構的壓電材料鋯鈦酸鉛製成。在壓電陶瓷片的兩個底面加上正弦交變電壓，它就會按正弦規律發生縱向伸縮，從而發出超音波。同樣壓電陶瓷可以在聲壓的作用下把聲波信號轉化為電信號。壓電陶瓷換能器在聲—電轉化過程中信號頻率保持不變。

如圖1所示，S1作為聲波發射器，它把電信號轉化為聲波信號向空間發射。S2是信號接收器，它把接收到的聲波信號轉化為電信號供觀察。其中S1是固定的，而S2可以左右移動。

共振法測量波長

由聲源S1發出的聲波（頻率為 ），經介質（空氣）傳播到S2，S2在接收聲波信號的同時反射部分聲波信號。如果接收面（S2）與發射面（S1）嚴格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與反射波相干涉形成駐波。反射面處是位移的波節，聲壓的波腹。改變接收器與發射源之間的距離 ，在一系列特定的距離上，空氣中出現穩定的駐波共振現象。此時 等於半波長的整數倍，駐波的幅度達到極大；同時，在接收面上的聲壓波腹也相應地達到極大值。通過壓電轉換，產生的電信號的電壓值也最大（示波器顯示波形的幅值最大）。因此，若保持頻率不變，通過測量相鄰兩次接收信號達到極大值時接收面之間的距離 ，即可得到該波的波長 （ ），並用 計算出聲速。

相位比較法測量波長

聲源S1發出聲波後，在其周圍形成聲場，聲場在介質中任一點的振動相位是隨時間而變化的，但它和聲源振動的位相差 不隨時間變化。

設聲源方程可寫成 ，距聲源x處S2接收到的振動為 = cosω( － )，兩處振動的位相差 ，若把兩處振動分別輸入到示波器x軸和y軸（如圖2所示），那么當 = ，即 =2 時，合振動為一斜率為正的直線。當 ，即 時，合振動為一斜率為負的直線。當x為其它值時，合振動為橢圓。移動S2，當其合振動為直線的圖形斜率正、負更替變化一次，S2移動的距離 ，

則

時差法測量原理

以上兩種方法測聲速都是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察兩個波間的相位差，原理是正確的，但讀數位置不易確定。較精確測量聲速是用聲波時差法。時差法在工程中得到了廣泛的套用，它是將經脈衝調製的電信號加到發射換能器上，聲波在介質中傳播，經過 時間後，到達 距離處的接收換能器，所以可以用以下公式求出聲波在介質中傳播的速度見圖3。速度

實驗儀器

SV5型聲速測量組合儀及SV5型聲速測定專用信號源，示波器，300mm遊標卡尺一把。

實驗內容

準備與聲速測量系統的連線

（1）示波器POWER開關置ON，調節亮度（INTENSITY）和聚焦(FOCUS)，使波形清晰。

（2）觸發源（TRIG. SOURCE）開關置INT， 觸發方式（TRIG.MODE）開關置AUTO，觸發電平（TRIG.LEVEL）右旋至鎖定（LOCK）狀態。

（3）聲速測量時，專用信號源、測試儀、示波器之間的連線方法見圖9-4。

諧振頻率的調節

（1）將測試方法設定到連續方式，按圖9-4（a）所示連好線。按下CH1開關，調節示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號。

（2）調節專用信號源上的 “發射強度”旋鈕，使其輸出電壓在20VP-P左右，然後將換能器測試儀接線盒上的接收端接至示波器，將兩聲能轉換探頭靠近，按下CH2開關，調整信號頻率，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（34.5kHz～39.5kHz之間，因不同的換能器或介質而異）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配的頻率點。

（3）改變S1、S2的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調節正弦信號頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達到最大值。記錄此頻率f。

共振干涉法測聲速

（1）將S2移動接近S1處(注意不要接觸)，再緩緩地移動S2，當示波器上出現振幅信號時時，記下位置x0。

（2）由近而遠改變接收器S2的位置， 可觀察到正弦波形發生周期性的變化, 逐個記下振幅最大的x1，x2 ，…，x9共10個點。

相位比較法測聲速

（1）在共振干涉法實驗的基礎上, 將示波器的X-Y控制鍵按下, 即可觀察到橢圓。

（2）使S2稍靠攏S1，然後再慢慢地移離S2，當示波器屏上出現斜率為正的直線時，記

下S2的位置 。

（3）移動S2，依次記下示波器上斜率負、 正變化的直線出現時S2的對應位置 、 、… 。

（4）記下實驗室溫度t。…。

時差法測量聲速

將測試方法設定到脈衝波方式，按圖9-4（b）所示連好線。將S1和S2之間的距離調到一定距離（≥50mm），再調節接收增益，使示波器上顯示的接收波信號幅度在400mV左右（峰—峰值），以使計時器工作在最佳狀態。然後記錄此時的距離值和顯示的時間值Li、ti(時間由聲速測試儀信號源時間顯示視窗直接讀出)。移動S2，同時調節接收增益，使接收波信號幅度始終保持一致。每隔10.00mm記錄下顯示的時間值L1、ti共10個點。

當使用液體為介質測試聲速時，先在測試槽中注入液體，直到把換能器完全浸沒，但不能超過液面線。然後將信號源面板上的介質選擇鍵切換至“液體”，並將連線接至插入接線盒的“液體”接線孔中，即可進行測試，步驟與上相同。

記下介質溫度t℃。

對三種不同介質測量聲速時的注意要點

（1）空氣介質

測量空氣聲速時,將專用信號源上的“聲速傳播介質”置於“空氣”位置，換能器的發射源（帶有轉軸）用緊定螺釘固定，然後將話筒插頭插入接線盒中的插座中。

可將S2（接收換能器）轉動到與S1（發射換能器）相隔1mm處（兩換能器喇叭形平面），不要相碰，開啟數字顯示表頭電源，並置0，即可進行測量。

（2）液體介質

在儲液槽中注入液體，直至將換能器完全浸沒，但不能超過液面線。注意：在注入液體時，不能將液體淋在數字顯示表頭上。將專用信號源上的“聲速傳播介質”置於“液體”位置，換能器的連線端應在接線盒上的“液體”專用插座上。

測量液體聲速時，由於在液體中聲波的衰減較小，因而存在較大的回波疊加，並且在相同頻率的情況下，其波長 要大得多，用駐波法和相位法測量時可能會有較大的誤差，所以建議採用時差法測量。

（3）固體介質

測量非金屬（有機玻璃棒）、金屬（黃銅棒）固體介質時，將專用信號源上的“測試方法”置於“脈衝波”位置，“聲速傳播介質”按測試材質的不同，置於“非金屬”或“金屬”位置。將待測的測試棒的一端面小螺柱旋入接收換能器螺孔內，再將另一端面的小螺柱旋入能旋轉的發射換能器上，使固體棒的兩端面與兩換能器的平面可靠、緊密接觸，（旋緊時，套用力均勻，不要用力過猛，以免損壞螺紋及儲液槽），然後把發射換能器尾部的連線插頭插入接線盒的插座中，即可開始測量，其時間由專用信號源視窗讀出，距離即為待測棒的長度，可用遊標卡尺測量（廠方提供相同介質但長度不同的幾根待測棒），多次測量，然後用逐差法處理數據。測量過程中，調換測試棒時，應先拔出發射換能器尾部的連線插頭，然後旋出發射換能器的一端，再旋出接收換能器的一端。

數據與結果

（1）自擬表格，記錄所有的實驗數據。表格的設計要便於用逐差法求相應位置的差值和計算 和 。

（2）算出共振干涉法和相位比較法測得的波長平均值 和 ，及其標準偏差 和 。 經計算可得波長的測量結果 = ， Δ

（3）計算按前兩種方法測量的v和 ，以及Δv和Δ ，並寫出實驗結果v±Δv和v' Δv'。

（4）按理論值公式（空氣中）： = v0 算出理論值vS，（式中v0=331.45m/s為T0=273.15K時的聲速，T= t+273.15K ）。並將v和 與 比較，用百分誤差表示，並分析產生誤差的原因。

（5）計算時差法測量聲速的誤差v，並將v與 比較， 用百分誤差表示。

思考題

（1）聲速測量中的共振干涉法和位相比較法有何異同？

（2）本實驗為什麼要在諧振頻率條件下進行聲速測量？如何調節和判斷測量系統是否

處於諧振狀態？

（3）兩列波在空間相遇時產生駐波的條件是什麼？如果發射面S1和接收面S2不平行，

結果會怎樣？

（4）相位比較法中作一個周期變化和共振干涉法中作一個周期變化，S2移動距離是否相同？

（5）相位比較法為什麼選直線圖形作為測量基準？從斜率為正的直線變到斜率為負的直線過程中相位改變了多少？

（6）在相位比較法中，調節哪些旋鈕可改變直線的斜率？調節哪些旋鈕可改變李莎如圖形的形狀？

（7）用逐差法處理數據的優點是什麼？還有沒有別的合適的方法可處理數據並且計算 確定值？

七 附錄

1．數顯表頭的使用方法及維護

聲速測量組合儀儲液槽上方的測量顯示兩換能器移動距離的數顯表頭使用方法：

（1）inch/mm按鈕為英/公制轉換鈕，測量聲速時用“mm”。

（2）“OFF”“ON”按鈕為數顯表頭電源開關。

（3）“ZERO”按鈕為表頭數字回零用。

（4）數顯表頭在標尺範圍內，接收換能器處於任意位置都可設定“0”位。搖動絲桿，接收換能器移動的距離為數顯表頭顯示的數字。

（5）數顯表頭右下方有“▼”處，打開它為更換表頭內紐扣式電池處。

（6）使用時，嚴禁將液體淋到數顯表頭上，如不慎將液體淋入，可用電吹風吹乾。（電吹風用低檔，並保持一定距離使溫度不超過70℃）。

（7）數顯表頭與數顯桿尺的配合極其精確，應避免劇烈的衝擊和重壓。

（8）儀器使用完畢後，應關閉數顯表頭的電源，以免不必要地消耗電池。

2．不同介質聲速傳播測量參數（供參考）

（1）標準大氣壓下傳播介質空氣

= v0 算出理論值vS，（式中v0=331.45m/s為T0=273.15K時的聲速，T=t+273.15K ）

（2）液體

①淡水: 1 480 m/s;②甘油 :1 920 m/s;③變壓器油:1 425 m/s;④蓖麻油:1 540 m/s;

（3）固體

①有機玻璃 :1 800～2 250m/s;②尼龍:1 800～2 200m/s;③聚胺脂:1 600～1 850 m/s;④黃銅: 3 100～3 650m/s;⑤金:2 030m/s;⑥銀:2 670 m/s

註：固體材料由於其材質、密度、測試的方法各有差異，故其聲速測量參數僅供參考。