超聲波由于振動頻率高，具有波長短、易于定向傳播等優(yōu)點(diǎn)，被用來測量聲音在彈性介質(zhì)中的傳播速度效果比較好。海底聲吶測距就是利用超聲波的這些特點(diǎn)。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

（1）了解壓電陶瓷換能器的功能及超聲波產(chǎn)生與接收的原理。

（2）學(xué)會用共振干涉法和相位比較法測定聲速。

（3）學(xué)會用逐差法處理數(shù)據(jù)。

（4）液體中聲速的測量（選作）。

【實(shí)驗(yàn)原理】

用壓電陶瓷換能器將頻率可調(diào)可讀的高頻（f ＞20 kHz）正弦波發(fā)射電壓信號轉(zhuǎn)換成超聲波的機(jī)械振動信號，接收端換能器將聲壓信號再轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后利用共振干涉法或相位比較法測出超聲波在介質(zhì)中的波長，根據(jù)波動理論，介質(zhì)中聲速vfλ=，從而可得到聲音在空氣、水等介質(zhì)中傳播的速度。

1. 共振干涉法測波長

共振干涉法是利用駐波原理，換能器發(fā)射端與接收端的超聲波相向疊加干涉形成駐波，圖3-6所示為某一時刻，駐波在兩換能器間的合振動信號幅度的包絡(luò)線，雖然接收端與發(fā)射端聲波振幅有差異，但兩者頻率相同，不影響駐波振幅周期性分布。示波器上顯示的是兩相干波疊加后在接收端的振動情況。通過轉(zhuǎn)動鼓輪來改變接收端位置，可以看到合振動在接收端的振幅作周期性變化。根據(jù)波的干涉理論，兩個相鄰的最大或最小振幅的距離均為原波源波長的一半/2λ（）。移動的距離可以通過聲速測試儀上的刻度尺或數(shù)字顯示刻度表讀出。

圖3-6　換能器間距與駐波包絡(luò)線

2. 相位比較法測波長

將發(fā)射信號和接收信號通過示波器進(jìn)行水平與垂直方向疊加，然后在示波器上顯示兩頻率之比為1:1的李薩如圖形，移動接收端即可改變接收信號的相位，根據(jù)相移θΔ與位移間距Δx 之間的關(guān)系Δθ=2πΔx /λ知，該李薩如圖形從斜率為+1直線重合到斜率為-1直線，接收端相位時間上變化半個周期，對應(yīng)著接收端空間距離變化半個波長。同樣也可以測量接收端的移動距離來測量波長。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

SV-DH聲速測試儀、SVX-7型多功能信號源。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

1. 測量換能器諧振頻率

（1）按圖3-7所示接好線路，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用壓電陶瓷換能器的固有頻率范圍，將信號源的輸出頻率調(diào)到諧振頻率38 kHz附近，將示波器顯示模式調(diào)到CH2觀察接收端超聲波振動情況。

圖3-7　聲速測定實(shí)驗(yàn)連線

（2）選擇合適的X偏轉(zhuǎn)因數(shù)，一般選10 μs/Div或20 μs/Div，選擇合適的Y偏轉(zhuǎn)因數(shù)，轉(zhuǎn)動鼓輪使接收端距離發(fā)散端50 mm之外某一位置。

（3）先粗調(diào)信號源頻率，示波器上有波形后再細(xì)調(diào)頻率至接收端波形振幅達(dá)到最大，其間要不斷調(diào)整Y偏轉(zhuǎn)因數(shù)，盡量使波形鋪滿整個屏幕，諧振點(diǎn)在頻率細(xì)調(diào)旋鈕調(diào)小和調(diào)大時，屏幕上波振幅均減小。

（4）重復(fù)（2）、（3）步驟共測量5個不同位置的諧振頻率，位置信息不用記錄，然后取平均值，將信號源調(diào)成頻率均值，并保持不變。

2. 共振干涉法或相位比較法測波長

（1）將接收端調(diào)至距離發(fā)送端50 mm附近某一位置，轉(zhuǎn)動鼓輪使示波器上波形振幅達(dá)到最大或李薩如圖形為斜直線，將位置刻度數(shù)字顯示清零或直接讀游標(biāo)尺上示數(shù)作為第一個位置信息記錄點(diǎn)。

（2）逆時針旋轉(zhuǎn)鼓輪4圈多一點(diǎn)，尋找下一個相鄰的波形振幅最大或李薩如圖形為斜直線的點(diǎn)，再次記錄接收端換能器的位置刻度。

（3）重復(fù)上一步的操作繼續(xù)采點(diǎn)，直到滿足記錄要求測量的位置個數(shù)為止。

【注意事項(xiàng)】

（1）兩換能器的最小測試間距控制在50 mm之外，嚴(yán)禁將兩換能器直接接觸。

（2）超聲波場內(nèi)介質(zhì)要均勻，避免接線穿過聲波場。

（3）由于超聲波在介質(zhì)中傳播時衰減較大，其振幅隨著兩換能器間距增加而變小，所以實(shí)驗(yàn)中需根據(jù)情況調(diào)節(jié)示波器的Y軸增益（含微調(diào)旋鈕）。

（4）在調(diào)節(jié)發(fā)射波頻率過程中，如果出現(xiàn)示波器上波形失真，可適當(dāng)調(diào)節(jié)信號源的接收增益和連續(xù)波強(qiáng)度。

【數(shù)據(jù)處理】

將測量換能器諧振頻率f的數(shù)據(jù)記錄于表3-3中。

表3-3　數(shù)據(jù)記錄表

Δ儀＝0.001 kHz，f的不確定度：

利用共振干涉法測12個振幅最大點(diǎn)，將數(shù)據(jù)填入表3-4中。

表3-4　數(shù)據(jù)記錄表

表3-5　數(shù)據(jù)記錄表

【思考題】

為什么要測量波源與換能器的諧振頻率？