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声速测定实验六 声速测定 【实验目的】 1.本实验是“阴极射线示波器”实验的继续和深入。通过本实验将检验学生对示波器使用的熟悉程度; 2.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; 3.学习用共振干涉法和相位比较法测定超声波在空气中的传播速度。 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波,它是纵波,其振动方向与传播方向相一致。频率低于20Hz的声波称为次声波;频率在20Hz~20kHz的声波可以被人听到,称为可闻声波;频率在20kHz以上的声波称为超声波。 超声波在媒质中的传...

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实验六 声速测定 【实验目的】 1.本实验是“阴极射线示波器”实验的继续和深入。通过本实验将检验学生对示波器使用的熟悉程度; 2.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; 3.学习用共振干涉法和相位比较法测定超声波在空气中的传播速度。 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波,它是纵波,其振动方向与传播方向相一致。频率低于20Hz的声波称为次声波;频率在20Hz~20kHz的声波可以被人听到,称为可闻声波;频率在20kHz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等因素有关。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,测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯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。 本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度,它是非电量电测方法应用的一个 例子 48个音标大全附带例子子程序调用编程序例子方差分析的例子空间拓扑关系例子方差不存在的例子 。 【实验原理】 在波动过程中波速v,波长λ和频率f之间存在着下列关系: v=fλ (6-1) 实验中可通过测定声波的波长λ和频率f来求得声速v。其中声波频率可通过测定声源的振动频率得出,剩下的任务就是测量声波波长,也就是本实验的主要任务。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 1.超声波的发射与接收——压电换能器 本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的转换。压电换能器做波源具平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时,由于频率在超声范围内,一般的音频对它无干扰。频率提高,波长λ就短,在不长的距离中可测到许多个λ,取其平均值,λ的测定较准确。这些都可使实验的精度大大提高。 压电陶瓷超声换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成。压电陶瓷片(如钛酸钡、锆钛酸铅等)是由一种多晶结构的压电 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 做成的,在一定的温度下经极化处理后,具有压电效应。在简单情况下,压电材料受到与极化方向一致的应力T时,在极化方向上产生一定的电场强度E,它们之间有一简单的线性关系E=gT;反之,当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时,材料的伸缩形变S与电压U也有线性关系S=dU。比例常数g、d称为压电常数,与材料性质有关。由于E、T、S、U之间具有简单的线性关系,因此我们就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩,成为声波的波源,同样也可以使声压变化转变为电压的变化,用来接收声信号。 在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属,组成夹心型振子。头部用轻金属做成喇叭型,尾部用重金属做成锥型或柱型,中部为压电陶瓷圆环,紧固螺钉穿过环中心。这种结构增大了辐射面积,增强了振子与介质的耦合作用,由于振子是以纵向长度的伸缩直接影响头部轻金属作同样的纵向长度伸缩(对尾部重金属作用小),这样所发射的波方向性强,平面性好。 2.共振干涉法 图6-1 声速测试架、信号源及示波器连线图 实验装置如图6-1所示,图中s1和s2为压电陶瓷超声换能器,s1作为超声源(发射头),信号源发出的正弦电压信号接到换能器s1后,即能发出一平面声波。s2作为超声波的接收头,接收的声压转换成电信号后输入示波器观察,s2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样,由s1发出的超声波和由s2反射的超声波在s1、s2之间的区域干涉而形成驻波。改变s1、s2之间的距离,在一系列特定的位置上,接收面s2上的声压达到极大值,可以证明,相邻两极大值之间的距离为半波长 。为了测出驻波相邻波腹或相邻波节之间的半波长距离,可改变s1和s2之间的距离,此时,可以看到示波器上显示的信号幅度发生周期性的大小变化,即由一个极大变到极小,再变到极大,而幅度每一次周期性的变化,就相当于s1、s2之间的距离改变了 。s1、s2之间距离的改变由游标尺测得。由信号源可读出超声源的频率f,这样就可计算出声速v。 图6-2 3.相位比较法 实验装置如图6-2所示。从s1发出的超声波通过媒质达到接收头s2,在发射波和接收波之间产生相位差,此相位差φ和角频率ω(ω=2πf)、传播时间τ、声速v、距离l、波长λ之间有下列关系: (6-2) 由上式可知,若要使相位差φ改变2π,那么,s1和s2的间距l就要相应地改变一个波长λ 。于是,根据相位差的2π变化,便可以测量出波长来。声波频率由信号源读出,根据式(6-1)便可算出声速。 ( ) 图6-3 用李萨如图形观测相位的变化 我们可以通过示波器来观察相位差。互相垂直的两个谐振动的叠加,能得到李萨如图形。如果两个谐振动的频率相同,则李萨如图形就很简单。随着两个振动的相位差从0→π变化,图形从斜率为正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。选择判断比较灵敏的亦即李萨如图形为直线的位置作为测量的起点。每移动一个波长的距离就会重复出现同样斜率的直线。见图6-3。 4.时差法测声速 在实际 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中,时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度v=距离S/时间T,通过在已知的距离内计测声波传播的时间,从而计算出声波的传播速度。 连续波由控制电路调制后定时发出一个声脉冲,由发射换能器发射至被测介质中,声波在介质中传播,经过t时间后,到达L距离处的接收换能器。接收到的信号经放大、滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间,从而计算出声波在某一介质中的传播速度。因为不用目测的方法,而由仪器本身来计测,所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时,由于只检测首先到达的声波的时间,而与其它回波无关,这样回波的影响可以忽略不计,因此测量的结果较为准确,所以工程中往往采用时差法来测量。 通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。 图6-4 发射波与接收波 【实验仪器】 SV-DH-5A型声速测试仪(见图6-5)、SVX-5型声速测试仪信号源(见图6-6)、DC432213示波器各一台。 图6-5 SV-DH-5A型声速测试仪外形图 声速测试仪装置的支架上部装有游标尺,游标尺的刀口下部装有两只压电换能器。作为发射超声波用的换能器s1固定在刀口的左端。另一只接收超声波用的换能器s2装在刀口的右端,可沿着游标尺移动。两只换能器的相对位移可从游标尺上读得。使换能器s1发射超声波的正弦电压信号由信号源供给。正弦电压信号的频率直接在信号源的数码管上显示出来。换能器s2把接收到的超声波压转换成电压信号,用示波器观察。 图6-6 SVX-5声速测试仪信号源面板 调节旋钮的作用: 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(输出电压); 接受增益:用于调节仪器内部的接受增益。 【实验内容】 1.共振干涉法测波长 ⑴ 接线与仪器的初步调节 1)按图6-1接好线路,打开电源开关预热15分钟,仪器自动工作在连续波方式。选择的介质为空气的初始状态。 2)根据测量要求初步调节好示波器(参照示波器的使用调节)。 ⑵ 谐振频率的调节(超声波频率f的确定) 将信号源输出的正弦波信号频率调节到换能器的谐振频率,以使换能器发射出较强的超声波。方法如下: 在两换能器s1和s2的发射面保持平行的前提下,调节s1和s2相距为1~2cm左右。调节声速测试仪信号源板面上“发射强度”旋钮,使信号源输出电压在10~15V之间。调节“信号频率”旋钮,使信号频率在25~45kHz之间。然后细调信号频率,同时观测示波器上显示的接收波的电压幅度变化。在信号源频率接近实验室提供的换能器谐振频率处(34.5~37.5kHz之间),电压幅度最大,同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮,此时频率即为与压电换能器s1、s2相匹配的谐振频率, 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 该频率FN(超声波频率),转动摇手鼓轮,改变s1和s2间的距离,适当选择位置,重新用上述方法调整频率,再次测定谐振频率FN,测量5次,取其平均值f为超声波的频率。 ⑶ 波长λ的测量 转动摇手鼓轮,由近及远地改变换能器s1到s2的间距,同时监测示波器的接收信号,记下第1,2,3,…,20个出现正弦波电压幅度最大的特定位置l1,l2,l3,…,l20。注意利用游标尺的刻度准确地确定这些l值。转动摇手鼓轮时注意连续向一个方向转动(为什么?)。注意测试过程中保持换能器s1和s2表面相互的平行。用逐差法计算出λ值。数据记录与计算用列表法进行。以下表格供参考。 i li(cm) i+10 li+10(cm) (cm) 1 11 2 12 ┆ ┆ 10 20 2.相位比较法测波长(利用李萨如图形找出同相点求波长) ⑴ 在“共振干涉法测波长”中测定换能器谐振频率f的基础之上,将示波器的扫描时间开关(TIME/DIV)置于“x - y”位置。 ⑵ 转动距离调节鼓轮,观测示波器上显示的李萨如图形为一特定角度的斜线(某一特定相位点)时,记录下此时s2的距离l1(l1值仍由游标尺的刻度读出)。向同一方向移动换能器s2接收面,使示波器上观察的波形又回到前述的特定角度斜线位置(同相点),记录下此时s2接收面的距离l2。依上方法,连续向同一方向转动距离调节手轮,对出现的每一同相点,分别记录下相应的位置l3,l4,…,l20,即20个同相点的位置。 用逐差法求出波长的平均值 ( cm)。 3.根据测定的超声波频率 和用上二种方法测定的波长 ,分别计算两种方法测定的在该室温下超声波在空气中的传播速度 (m/s)。 4.时差法测量声速 将测试方法设置到脉冲方式。将s1和s2之间的距离调到一定距离(≥50mm)。再调节接收增益,使显示的时间差值读数稳定,此时仪器内置的定时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值li-1、ti-1(时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)。移动s2,同时调节接收增益使接收信号幅度始终保持一致。记录下这时的距离值和显示的时间值li、ti。则声速vi=(li-li-1)/(ti-ti-1)。测量5次计算出vi值,取其平均值为测量结果。 *5.测量液体介质中的声速 当使用液体为介质测试声速时,先在测试槽中注入液体,直至把换能器完全浸没,但不能超过液面线。然后将信号源面板上的介质选择键切换至“液体”,采用前述方法,即可进行测试,步骤相同。 但是,由于声波在液体中衰减较小,发射出的声波在很多因素的影响下产生多次反射叠加,在接收换能器表面已经是多个回波的叠加(混响),叠加后波形的驻波特征较为复杂,并不是可根据单纯两列波叠加来观察它的幅度变化,来求出波长。因此用通常的两束波的叠加的公式求波速,其精度已大为下降,会导致测量结果不确定性的增大。 【数据处理】 1.实验结果与理论值比较 记录室温温度t(℃),在室温t下,干燥空气中的声速的理论值为 (6-3) 式中T0=273.15K,v0为温度为T0时声速,v0=331.45m/s。 根据实际室温,由公式(6-3)计算声速理论值 。 2.根据用上述三种方法测量的波长 值,分别求出声速实验测量值v,分别用绝对误差 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 三种测量方法的实验结果。 m/s 【思考题】 1.简述共振干涉法、相位比较法测声速的原理、方法。画出实验电路图。 2.要在示波器屏上看到李萨如图形,应如何调节示波器? 3.用逐差法处理数据的优点是什么? 4.在声速测量实验中为什么要在换能器谐振状态下测定空气中的声速?为什么换能器的发射面和接收面要保持平行? _1154182849.unknown _1154240094.unknown _1154240192.unknown _1154240240.unknown _1155734762.unknown _1154240212.unknown _1154240120.unknown _1154182904.unknown _1154237111.unknown _1154238627.unknown _1154237237.unknown _1154182993.unknown _1154182884.unknown _1154182053.unknown _1154182818.unknown _1154176977.unknown _1154182031.unknown _1154172934.unknown
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