超聲聲速的測量講義

1、實驗實驗3.123.12超聲聲速的測量超聲聲速的測量聲波是一種機械波，它可以在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)中傳播，它會引起物質(zhì)的光學(xué)、電磁、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)以及人類生理、心理等性質(zhì)的變化。人耳能聽到的聲波稱為可聞聲波，頻率在20Hz～20kHz之間，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，頻率高于20kHz則稱為超聲波。超聲波在媒質(zhì)中傳播時，聲速、聲衰減和聲阻抗都和媒質(zhì)的特性及狀態(tài)有關(guān)，通過測量這些聲學(xué)量可以探知媒質(zhì)的特性和狀態(tài)變化。這些聲學(xué)量的測量方

2、法就是超聲無損檢測的實驗基礎(chǔ)。由于媒質(zhì)中的聲速與媒質(zhì)的許多非聲學(xué)特性都有直接或間接的關(guān)系，所以通過聲速的測量可以求出固體媒質(zhì)的彈性模量，進行氣體成分分析，測定液體的比重，液體的成分及溶液濃度等。利用媒質(zhì)的溫度、壓強、流速與聲速的關(guān)系則可以探測這些狀態(tài)參量的變化。媒質(zhì)中的聲速是應(yīng)用最廣而且測量精度也較高的聲學(xué)量。測量聲速依據(jù)的原理可以是（表示聲音傳播的距離，表示通過這段距離的時間），也可以是tlv?lt（為聲波的頻率，為聲波的波長）。本實

3、驗采用的共振干涉法和相位比較法均?fv?f?屬于后者。一、預(yù)備問題一、預(yù)備問題1壓電換能器是如何工作的？2聲波在媒質(zhì)中傳播的速度與哪些因素有關(guān)？3何為共振干涉法和相位比較法？二、引言二、引言1超聲波的發(fā)射和接收超聲波的發(fā)射和接收都需要用換能器，換能器的作用是將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量（發(fā)射換能器），或?qū)⒊暡ǖ哪芰哭D(zhuǎn)換為其它可以檢測的能量（接收換能器）。最常使用的是壓電換能器。壓電晶體（如石英）或壓電陶瓷（如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛）這

4、類壓電材料受到應(yīng)力T的作用會在材料內(nèi)產(chǎn)生電場E，且滿足（為壓電常數(shù)），TE????這就是壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是法國人居里兄弟1880年在研究熱電現(xiàn)象和晶體對稱性的時候發(fā)現(xiàn)的。壓電換能器接收超聲波信號使之轉(zhuǎn)換為電信號，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電能，利用的就是壓電效應(yīng)原理。當(dāng)超聲波頻率與系統(tǒng)固有（共振）頻率一致時所產(chǎn)生的電信號最強。壓電材料還具有逆壓電效應(yīng)，壓電材料在電場E的作用下產(chǎn)生伸縮形變S，且滿足（d為伸縮常數(shù)），在交變電場的作用下會產(chǎn)生周期

5、性的收縮和伸長，當(dāng)外加電EdS??場的頻率和壓電體固有頻率相同時振幅最大。發(fā)射換能器利用逆壓電效應(yīng)就可以將電能轉(zhuǎn)換成超聲振動能，在周圍媒質(zhì)中激發(fā)超聲波。2聲速的測量聲波在媒質(zhì)中傳播的速度決定于媒質(zhì)的密度、彈性模量等性質(zhì)。聲波在液體和固體中的傳播速度一般大于在氣體中的傳播速度。聲速也和媒質(zhì)的壓強、溫度等狀態(tài)有關(guān)，因為溫度變化一般比壓強大，所以溫度對聲速的影響也比較大。若頻率已知，測出波長即可根據(jù)波長、頻率和聲速三者的關(guān)系求出波速。?fv?

6、（1）共振干涉法測聲速如圖3.121所示，S1、S2都是壓電換能器，兩者相互平行。由低頻信號發(fā)生器輸出的頻率為f的正弦電信號激勵超聲波發(fā)射器S1發(fā)射出沿x方向傳播的近似平面超聲波，經(jīng)超聲波接收器S2反射后，在兩端面間來回傳播并疊加而形成駐波（嚴(yán)格地說還有行波的成份）聲波是振動狀態(tài)的傳播，在聲波傳播方向上任何一點和波源之間都存在位相差。若設(shè)位相差為，聲波頻率為，波速v和傳播距離l之間的關(guān)系為?f（3.125）?????lvflt22???

7、如圖3.122所示，將S1和S2的正弦電壓信號分別輸入示波器的X信道和Y信道，在示波器上可以觀察到兩個相互垂直的同頻率簡諧振動合成的李薩如圖形。改變S1、S2之間的距離時位相差發(fā)生變化，橢圓的特性也隨之變化。每當(dāng)位相差的變化滿足，即????????2221212??????ll（3.126）?????12lll時，相同的李薩如圖形就會重復(fù)出現(xiàn)（如圖3.123所示）。由此可以測定，算出聲速?（3.127）lffv????(3)時差法測量原

8、理以上二種方法測聲速，都是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察二個波間的相位差，原理是正確，但存在讀數(shù)誤差，較精確測量聲速是用時聲波差法，時差法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號加到發(fā)射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過T時間后，到達(dá)距離處的L接收換能器，所以可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。TLV?（3.128）圖3.123李薩如圖0???4????2????43????????45????23????47??????