1、超聲聲速儀測聲速第1頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三有關聲波研究的應用和發展1、聲音與我們的生活2、聲速測量的目的 3、聲速測量的發展第2頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三1、聲音與我們的生活 自然界中充滿了各種各樣的聲音：收音機里播放的悅耳音樂聲，飛機掠過長空時擾人的噪聲，狂風的呼嘯聲，海禱 的怒吼聲，爽朗的歡笑聲，歡暢的交談聲，等等，在日常生 活中處處都可以聽到。可見聲音與我們的生活是密切相關的。 人類對聲學的研究最早可以追溯到公元前580年埃及人畢達 哥拉斯。 而古希臘人亞里士多德接觸到聲學理論，他持有關于空氣的運動性質構成聲音的正確思想

2、，并且他還知道，如果管的長度加倍，則管內的振動就要花兩倍的時間。第3頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 今天人們對聲音的研究，從語音聲學、生理聲學、建筑聲學、環境聲學、水聲學、超聲學等等，遍及各個領域。 牛頓在他的原理中對聲速作了理論推導，但實驗的結果與此并不相符，牛頓推測了實驗值和理論值之間不一致的原因。但是，真正的解釋是在過了一個世紀之后由拉普拉斯(17491827)做的。 牛頓沒有考慮到由于壓縮變熱和稀疏致冷引起的彈性變化。 特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在0.0001赫茲至20赫茲之間的波。雖然我們的耳朵聽不見它，在我們周圍由自然和人工產生的次聲波也很

3、多。第4頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三如火山爆發、地震、流星爆炸、極光、雷電、磁暴、臺風、龍卷風、晴空湍流、風暴、海浪、電離層擾動、核爆炸、火箭發射、大炮、化學爆炸、飛機、火車、高速行駛中的汽車、某些大型工廠、高樓、風吹過高山等等，都會在一定的條件產生次聲波。雖然早在上百年前就首次記錄到了次聲波，可是人們次對聲的認識卻沒有多大進展。到近二十年來，科學技術有了飛躍的發展，人們對自然界中次聲現象及次聲傳播規律的認識才有了較大提高第5頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 它的應用前景是很廣闊的，大致可分為下列幾個方面：預測自然災害性事件；通過測定次聲

4、波受大氣其他波動的影響結果 ；探測氣象運動的性質和規律；生物學以及核爆炸、火箭發射的影響等。 第6頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三2、聲速測量的目的 聲學測量和分析是人們認識聲學問題本質的一種手段。通過必要的測量和分析可以對聲學有定量概念，從而了解其規律性。 聲學測量通常是指先用電聲(或機電)換能器把聲波(或振動)轉換成相應的電信號，然后用電子儀表放大到一定的電壓，再進行測量與分析的技術以及有關聲學儀器的工作原理 第7頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三3、聲速測量的發展 二十世紀以來，聲學測量技術發展很快目前 聲學儀器有較大發展，并具有高保真度

5、，如寬的頻 范圍和動態范圍，小的非線性畸變和良好的瞬態響 應等。 過去，測量聲波和振動的儀表都是模擬式電子儀表，測量的速度和準確度受到一定的限制。六十年代初。出現了數字式儀表，直接采用數字顯示，提高了測量時讀數的準確度。 由于計算技術和高質量、低功耗的大規模集成電路的發展，人們已能用由微處理機控制的自動測量代替逐點測量，使許多需要事后計算的聲學測量和分析工作可以用微計算機實時運算。第8頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 以微處理機為中心的測量儀器，不但實現了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法從而實現了實時分析。同時也出現了一些新的聲學測量和分析方法，例如實時

6、頻譜分析，聲強測量，聲源鑒別，瞬態信號分析，相關分析等。 今后聲學測量的任務是采用新的測量技術，提出新的測量力法，使用自動化數字式儀器，以提高測量的淮確度和速度。 第9頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 回顧歷史，可以看到，在發展經典聲學的 過程中，許多研究工作是直接用人耳來聽聲音的。直到本世紀，發展了無線電電子學，才使聲波的測量采用了電聲換能器和電子測量儀器。 高性能的測量傳聲器、頻譜分祈儀和聲級記 錄器實現了聲信號的聲壓級測量，頻譜分析和聲情號特性的自動記錄；從而可以測量各種不同頻率、不同強度和波形的聲波，擴展了聲學的研究范圍，促進了近代聲學的發展。可以期望，計算技

7、術和大規模集成電路的發展，微計算機和微處理機在聲學工作中的應用，必將促使近代聲學進一步發展 第10頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 實 驗 目 的 1、學習用共振干涉法和相位比較法測定空氣 中的聲速。加深對共振、振動合成、波的 干涉等理論2、了解壓電換能器的功能及超聲波 的產生、發射、傳播和接受原 理3、熟悉低頻信號函數發生器、模擬 示波器的使用使用方法。第11頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三三、聲速的測量原理1. 振幅法 一、聲速的特點二、實驗原理2. 相位法 第12頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三四、實驗儀器五、

8、實驗內容1.聲速測量儀2.壓電傳感器3.模擬示波器4.函數信號信號發生器六、數據處理第13頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三一、聲速的特點 頻率在2020000Hz的聲振動在彈性媒質中所激起的縱波稱聲波。聲波是一種機械波。頻率超過20000Hz的聲波稱為超聲波。聲波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。 聲波在空氣中的傳播速度與聲波的頻率無關，只取決于空氣本身的性質，因此有-絕熱系數，R-摩爾氣體常數，-空氣分子的摩爾質量，T-絕對溫度第14頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 由此可見，氣體中的聲速 v 和溫度 T 有關，還與比熱比 及摩爾

9、質量 有關，后兩個因素與氣體成分有關。因此，根據測定出的聲速還可以推算出氣體的一些參量。 在標準狀態下，0 oC時，聲速為 vo331.45ms，顯然在 t oC時，干燥空氣中聲速的理論值應為 由此我們也可以想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是不同的 。 第15頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三二、實驗原理 本實驗是對超聲波波速的測量。測量聲速最簡單、最有效的方法之一是利用聲速v 、振動頻率 f 和波長 之間的基本關系，即 v=f 測出聲振動頻率 f 和聲波的波長 ，就可算出聲波的波速 v。當然這僅僅是一種最簡便的近似測量。 實驗室中常利用，用共振干涉法、相位法比較法測定

10、波長 ，由函數發生器或示波器直接讀出頻率 f。 第16頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三1.共振干涉法 三、測量原理 位移S2S1聲壓第17頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 s1和s2為壓電陶瓷超聲換能器，s1作為超聲源（發射頭），信號源發出的正弦電壓信號接到換能器s1后，即能發出一平面聲波。s2作為超聲波的接收頭，接收的聲壓轉換成電信號后輸入示波器觀察，s2在接收超聲波的同時還反射一部分超聲波。這樣，由s1發出的超聲波和由s2反射的超聲波在s1、s2之間的區域干涉而形成駐波。改變s1、s2之間的距離，在一系列特定的位置上，接收面s2上的聲壓達

11、到極大值，可以證明：相鄰兩極大值之間的距離為半波長。第18頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 為了測出駐波相鄰波腹或相鄰波節之間的半波長距離，可改變s1和s2之間的距離，此時，可以看到示波器上顯示的信號幅度發生周期性的大小變化，即由一個極大變到極小，再變到極大，而幅度每一次周期性的變化，就相當于s1、s2之間的距離改變了。s1、s2之間距離的改變由游標尺測得。由信號源可讀出超聲源的頻率f，這樣就可計算出聲速v。第19頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三2. 相位法 波是振動狀態的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態相同(同

12、相: 相位差為0)或者說其相位差為2的整數倍時兩點間的距離應等于波長的整數倍，即 l = n (n為一正整數) 利用這個公式可測量波長。第20頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三相位法又可分為行波法和李薩如圖形法。(1)行波法 將發射信號和接收信號同時輸入到示波器，此時示波器上同時顯示的發送和接收電信號。當改變兩個換能器之間的距離時，發送信號不變，而接收電信號（正弦波）的幅值和位置均發生變化，當接收電信號的位置與發射信號的位置前后兩次重合時接收器走過的距離，就是信號的波長。第21頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三(2)李薩如圖法 從s1發出的超聲波

13、通過媒質達到接收頭s2，在發射波和接收波之間產生相位差，此相位差和角頻率（=2f）、傳播時間、聲速v、距離l、波長之間有下列關系： 由上式可知，若要使相位差改變2，那么， s1和s2的間距l就要相應地改變一個波長 。于是，根據相位差的2變化，便可以測量出波長來。聲波頻率由信號源讀出，根據上式便可算出聲速。 （第22頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 我們可以通過示波器來觀察相位差。互相垂直的兩個諧振動的合成，能得到李薩如圖形。如果兩個諧振動的頻率相同，則李薩如圖形就很簡單。隨著兩個振動的相位差從0變化，圖形從斜率為正的直線變為橢圓再變到斜率為負的直線。選擇判斷比較靈敏的

14、亦即李薩如圖形為直線的位置作為測量的起點。每移動一個波長的距離就會重復出現同樣斜率。第23頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三用李薩如圖形觀測相位的變化 兩個同斜率直線所對應的傳感器間距為一個波長 。 第24頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三四、實驗儀器 本實驗使用的儀器主要有：聲速測量儀、 函數發生器和示波器。 聲速測量儀由：超聲壓電陶瓷換能器、帶有標尺的底座和讀數裝置構成，用來作聲壓與電壓之間的轉換，以及波長的測量。 函數發生器用來產生超聲波； 示波器用來觀察超聲波的振幅、相位和頻率。第25頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星

15、期三讀數裝置壓電陶瓷換能器底座第26頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三傳感器及它的內部結構 傳感器是物理實驗中常用的間接測量元件。本實驗中使用的傳感器是由壓電陶瓷片構成的，其中一個是用來產生機械振動并在空氣中激發出超聲波。另一個用來接收振動，同時電輸出端產生相應的電信號。第27頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 本實驗采用壓電陶瓷超聲換能器來實現聲壓和電壓之間的轉換。壓電換能器做波源具平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時，由于頻率在超聲范圍內，一般的音頻對它無干擾。頻率提高，波長就短，在不長的距離中可測到許多個，取其平均值，的測定較準確。這些

16、都可使實驗的精度大大提高。 壓電陶瓷超聲換能器由壓電陶瓷片和輕、重兩種金屬組成。壓電陶瓷片（如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等）是由一種多晶結構的壓電材料做成的，在一定的溫度下經極化處理后，具有壓電效應。第28頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 反之，當與極化方向一致的外加電壓U加在壓電材料上時，材料的伸縮形變S與電壓U也有線性關系S=dU。比例常數g、d稱為壓電常數，與材料性質有關。由于E、T、S、U之間具有簡單的線性關系，因此我們就可以將正弦交流電信號轉變成壓電材料縱向長度的伸縮，成為聲波的波源，同樣也可以使聲壓變化轉變為電壓的變化，用來接收聲信號。 在簡單情況下，壓電材料受到與

17、極化方向一致的應力T時，在極化方向上產生一定的電場強度E，它們之間有一簡單的線性關系E=gT；第29頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 在壓電陶瓷片的頭尾兩端膠粘兩塊金屬，組成夾心型振子。頭部用輕金屬做成喇叭型，尾部用重金屬做成錐型或柱型，中部為壓電陶瓷圓環，緊固螺釘穿過環中心。這種結構增大了輻射面積，增強了振子與介質的耦合作用，由于振子是以縱向長度的伸縮直接 影響頭部輕金屬作同樣的縱向長度伸縮（對尾部重金屬作用小），這樣所發射的波方向性強，平面性好。第30頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三 傳感器內部結構 壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外殼第31頁

18、，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三開關顯示屏第二通道第一通道一通道放大、衰減器二通道放大、衰減器時基掃描 聚焦輝度第32頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三第33頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三頻率調節頻率范圍選擇信號輸出函數選擇開關信號發生器第34頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三五、實驗內容2、利用共振駐波法測量聲速3、利用行波法測量聲速4、利用李薩如圖法測量聲速1、諧振頻率的調整第35頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三1、諧振頻率的調整改變信號發生器的頻率時，看到第36頁，共42頁，2022年，5月20日，17點15分，星期三2、利用共振駐波法測量聲速 將換能器的接收端接入示波器的CH1通道，當改變