不同介质中的声速的测量.pdfVIP

空气、液体及固体介质中的声速测量 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，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（气体）、蔗糖（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。同时，通过 液体中声速的测量，了解水下声纳技术应用的基本概念。 【实验目的】 1．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。 2 ．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。 3 ．通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。 【实验原理】 f 在波动过程中波速V 、波长λ和频率 之间存在着下列关系：V f •λ，实验中可 通过测定声波的波长 f λ和频率 来求得声速V 。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系：L V •t ，只要测出 L 和 t 就可 测出声波传播的速度V ，这就是时差法测量声速的原理。 1．共振干涉法（驻波法）测量声速的原理： 当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。对于波束 1： ( ) F A •cos(ωt −2π•X / λ) 、波束2 ：F A •cos ωt +2π•X / λ ，当它们相交会时， 1 2 ( ) ω F 2A •cos 2π•X / λ •cos ωt ，这里 为声波的角频率，t 为 叠加后的波形成波束 3 ： 3 经过的时间，X 为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按cos 2π•X / λ( ) - 1 - 变化。如图 1 所示。 压电陶瓷换能器S 作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周 1 的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器S 则作为声波的接收器，正压 2 电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由 声压信号产生的正弦波形。声源S 发出的声波，经介质传播到S ，在接收声波信号的同 1 2 时反射部分声波信号，如果接收面（S ）与发射面（S ）严格平行，入射波即在接收面 2 1 上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个 相干波合成后在声波接收器S 处的振动情况。移动S 位置（即改变S 与S 之间的距离）， 2 2 1 2 你从示波器显示上会发现当S 在某些位置时振幅有最小值或最大值。根据波的干涉理论可