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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,超聲聲速(shn s)儀測聲速(shn s),第一頁，共44頁。,有關聲波研究的應用(yngyng)和發(fā)展,1、聲音(shngyn)與我們的生活,2、聲速(shn s)測量的目的,3,
2、、聲速測量的發(fā)展,第二頁，共44頁。,1、聲音與我們(w men)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?？梢娐曇襞c我們(w men)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(lln)，他,持有關于空氣的運動性質構成聲音的正確思想，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。,第三頁，共44頁。,今天(jntin)人們對聲音的研究，從語音聲學、生理聲學、,
3、建筑聲學、環(huán)境聲學、水聲學、超聲學等等，遍及各個,領域。,牛頓在他的原理(yunl)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,赫茲(hz)至20赫茲(hz)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多。,第四頁，共44頁。,如火山爆發(fā)、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(fā)射、大
4、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(surn)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(fā)展，人們對自然界中,次聲現象及次聲傳播規(guī)律的認識才有了較大提高,第五頁，共44頁。,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；通過測定次聲波受大氣其他波動的影響結果；探測氣象運動的性質和規(guī)律；生物學以及(yj)核爆炸、火箭發(fā)射的影響等。,第六頁，共44頁。,2、聲速(shn s)測量的目的,聲學測量和分析是人們認識聲學問題本質(bn
5、zh)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(guī)律性。,聲學測量通常是指先用電聲(或機電(jdin)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,第七頁，共44頁。,3、聲速(shn s)測量的發(fā)展,二十世紀以來，聲學測量技術發(fā)展很快目前,聲學儀器有較大發(fā)展，并具有高保真度，如寬的頻,范圍(fnwi)和動態(tài)范圍(fnwi)，小的非線性畸變和良好的瞬態(tài)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
6、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(guī)模集成電路的發(fā)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(xdu)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。,第八頁，共44頁。,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，例如實時頻譜分析，聲強測量，聲源鑒別，瞬態(tài)信號分析，相關(xinggun)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。,第九頁，共44頁。,回顧 ，可以看到，在
7、發(fā)展(fzhn)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(fā)展(fzhn)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(shxin)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(fā)展?？梢云谕?，計算技術和大規(guī)模集成電路的發(fā)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(fā)展,第十頁，共44頁。,實 驗 目 的,1、學習用共振干涉(gnsh)法和相位比較法測定空氣,中的聲速。加深對共振、振動合成
8、、波的,干涉(gnsh)等理論,2、了解壓電換能器的功能及超聲波,的產生、發(fā)射、傳播(chunb)和接受原,理,3、熟悉低頻信號函數發(fā)生器、模擬,示波器的使用使用方法。,第十一頁，共44頁。,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,第十二頁，共44頁。,四、實驗(shyn)儀器,五、實驗(shyn)內容,1.聲速(shn s)測量儀,2.,壓電傳感器,3.,模擬示波器,4.,函數信號信號發(fā)生器,六、數據處理,第十三頁，共44頁。,一、聲速(shn s)的特點,頻率(pnl)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(
9、pnl)超過20000Hz的聲波稱為超聲波。聲波的頻率(pnl)、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(pnl)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,第十四頁，共44頁。,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(tài)下，0 oC時，聲速為 vos，顯然(xinrn)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(sd)
10、是不同的。,第十五頁，共44頁。,二、實驗(shyn)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(lyng)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(pnl)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,比較法測定波長,，由函數發(fā)生器或示波器直接讀出頻率,f,。,第十六頁，共44頁。,1.共振(gngzhn)干涉法,三、測量(cling)原理,位移(wiy),S,2,S,1,聲壓,第十七頁，共44頁。,s1和s2為壓電陶瓷超聲換能器，s1作為超聲源（發(fā)射頭），信號
11、源發(fā)出的正弦電壓(diny)信號接到換能器s1后，即能發(fā)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(fā)出的超聲波和由s2反射的超聲波在s1、s2之間的區(qū)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上的聲壓達到極大值，可以證明：相鄰兩極大值之間的距離為半波長。,第十八頁，共44頁。,為了測出駐波相鄰波腹或相鄰波節(jié)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(fā)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
12、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(zhyng)就可計算出聲速v。,第十九頁，共44頁。,2.相位(xingwi)法,波是振動狀態(tài)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(tài)相同(同相: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(jl)應等于波長的整數倍，即,l=n (n為一正整數),利用(lyng)這個公式可測量波長。,第二十頁，共44頁。,相位(xingwi)法又可分為行波法和李薩如圖形法。,(1),行波法,將發(fā)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(fā)送和接收電信號。當改變
13、兩個換能器之間的距離時，發(fā)送信號不變，而接收電信號（正弦波）的幅值和位置均發(fā)生變化，當接收電信號的位置與發(fā)射信號的位置前后兩次重合(chngh)時接收器走過的距離，就是信號的波長。,第二十一頁，共44頁。,牛頓在他的原理(yunl)中對聲速作了理論推導，但實,2、利用共振(gngzhn)駐波法測量聲速,振動，同時電輸出端產生(chnshng)相應的電信號。,4、利用李薩如圖法測量(cling)聲速,三、測量(cling)原理,赫茲(hz)至20赫茲(hz)之間的波。,干涉(gnsh)等理論,2、聲速(shn s)測量的目的,四、實驗(shyn)儀器,第四十一頁，共44頁。,產生(chnshng
14、)機械振動并在空氣中激發(fā)出超聲波。,信號(xnho)輸出,頻率(pnl)范圍選擇,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(fā)展。,回顧 ，可以看到，在發(fā)展(fzhn)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。,(2)李薩如圖法(t f),從s1發(fā)出的超聲波通過媒質達到接收頭s2，在發(fā)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(bchng)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(xiāng)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(ky)測量出波長來。
15、聲,波頻率由信號源讀出，根據上式便可算出聲速。,（,第二十二頁，共44頁。,我們可以通過示波器來觀察相位差?；ハ啻怪?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?yōu)闄E圓再變到斜率為負的直線。選擇判,斷比較靈敏的亦即李薩如圖形為直線的位置作為測,量的起點(qdin)。每移動一個波長的距離就會重復出現同,樣斜率。,第二十三頁，共44頁。,用李薩如圖形觀測相位(xingwi)的變化,兩個同斜率直線所對應(duyng)的傳感器間距為一個波長。,第二十四頁，共44頁。,四、實驗(shyn)儀器,本實驗使用
16、的儀器主要(zhyo)有：聲速測量儀、函數發(fā)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(fā)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。,第二十五頁，共44頁。,讀數(dsh)裝置,壓電陶瓷(toc)換能器,底座(dzu),第二十六頁，共44頁。,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(chnshng)機械振動并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個用來接收,振動，同時電輸出端產生(chnshng)相應的電信號。,第二十七頁，共44頁。,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(ynpn)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
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