空气、液体及固体介质的声速测量

王政力 2012301020096

摘要： 本实验采用“相位比较法”和“时差法”来进行数据处理。通过媒质中声速的测量，可以了解被测媒质的特性或状态变化，因而声速测量有非常广泛的应用，如无损检测、测距和定位、t5测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等。 关键词：声速 声速仪 相位比较法 时差法 超声波 介质

1 引言：

声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波（频率超过2×104Hz的声波）传播速度的测量在超声波测距、测量气体温度瞬间变化等方面具有重大意义。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。

2 实验

2.1理论依据

由波动理论得知，声波的传播速度v与声波频率f和波长之间的关系为vf。所以只要测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出，波长则可用相位比较法进行测量。

相位比较法可以利用李萨如图形来判断相位差。当输入示波器的是两个频率严格一致的信号，则李萨如图一般情况下是稳定的椭圆。当两个信号的位相差由 0变为π时，李萨如图由斜率为正的直线变为斜率为负的直线， S2的位置改变半波长。当 △φ 0→π △L= λ/2 。

时差法是将脉冲调制信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经时间t之后，到达距离L处的接受换能器，由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出时间t，则可以用公式求出声波在介质中传播的速度：v=L/t。

2.2 实验方法

实验仪器与器件：ＳＶ５型声速测量组合仪，ＧＯＳ－６０２１型双踪示波器，水，铜棒，有机玻璃棒。

SV5型专用信号源 测试仪接线示波

盒 器

发接 射 收

发

波波CH（Y） CH （X） S S 射 2 2 1 1 形 形 接

收

相位法测量连接图

SV5型专用信号源 测试仪接线盒 示波器 发射 接收

波形 波形 发射 S1 S2 CH2(Y) CH1(X）

接收

时差法连接图

相位比较法测量波长 ：按相位比较法图连接好电路，发射端S1接信号发生器CH1 ，接收端S2接至示波器通道1（CH1）。再从信号发生器CH2接示波器通道2（CH2），信号源自动工作在“连续波”方式；信号源的“声速传播介质”键设置在“空气”或“液体”位置。调整谐振频率，是谐振频率约在37KHZ左右。示波器将显示由CH1和CH2正旋信号的合成李萨如图形。 摇动声速测试仪手柄，由近及远使S2缓慢移动，逐个记下示波器上相继出现利萨如图形为斜线时的S2的位置L1、L2、…、L10，填入数据表，记下实验室的温度，采用逐差法处理数据从而计算出速度V 。

时差法测量波长：按时差法连接图连接好电路，SV5的S1接接线盒的发射，S2接接线盒的接收，接受波形接示波器的CHI(Y1)。信号源自动工作在“脉冲波”方式；信号源的“声速传播介质”键设置在“固体”位置。记下显示的时间。根据 v=L/t计算出速度V。

3实验结果与分析 3.1实验数据 (a) 相位法(水):

表A1：水中的声速：温度：t= 21.0 0C 谐振频率：f37598 HZ

波形 \\(mm) /(mm) X1 172.97 148.76 X2 128.83 107.92 X3 86.03 62.49 X4 38.83 15.71 X5 -4.57 -22.19 X6 -44.95 -56.12 X7 -77.90 -94.21 X8 -117.03 -141.01 141.95mm v11577.24m/s

240.53mm v21523.85m/s

表A2：水中的声速：温度：t= 21.0 0C 谐振频率： f37600 HZ

波形 \\(mm) /(mm) X1 173.00 148.81 X2 128.70 107.80 X3 85.99 62.47 X4 38.80 15.59 X5 -4.42 -22.16 X6 -44.33 -55.30 X7 -77.82 -94.17 X8 -116.94 -141.20 341.88mm v31574.69m/s 440.49mm v41522.42m/s

故v1549.55m/s

(b) 时差法(水):

表B1：水中的声速：温度：t= 19.1 0C 谐振频率：f38273 HZ

T(us) 1 121 2 4.30 124 3 8.79 127 4 13.31 130 5 17.75 133 6 22.33 137 7 28.38 140 8 32.78 143 9 37.29 146 10 41.72 149 L(mm) 0 v11502.78m/s

表B2：水中的声速：温度：t= 19.1 0C 谐振频率：f38273 HZ

T(us) 1 122 2 3.02 124 3 6.02 126 4 9.00 129 5 13.45 131 6 16.50 133 7 19.45 135 8 21.09 137 9 25.41 139 10 28.55 141 L(mm) 0 v21530.93m/s

表B3：水中的声速：温度：t= 19.1 0C 谐振频率：f38273 HZ

T(us) 1 122 2 4.38 125 3 9.23 129 4 15.45 132 5 19.39 135 6 24.09 138 7 28.38 141 8 33.06 145 9 39.07 148 10 43.48 151 L(mm) 0 v31522.13m/s

故v1518.61m/s

(c1) 时差法(有机棒):

L(mm) T1(us) T2(us) T3(us) T4(us) T5(us) T6(us) 表C1：有机棒中的声速：温度：t= 19.1 0C 180.0 220.0 260.0 113 115 110 116 110 116 129 131 129 131 129 131 151 147 151 148 153 147 V(m/s) 2159.09 2500.00 1961.72 2509.80 1885.96 2583.33 v2266.65m/s

(c2) 时差法(铜棒):

表C2：铜棒中的声速：温度：t= 19.1 0C L(mm) T1(us) T2(us) T3(us) T4(us) T5(us) T6(us) 168.0 77 79 77 82 77 77 207.0 90 89 91 89 91 89 246.0 100 100 100 100 100 100 V(m/s) 3450.00 3722.73 3559.52 4558.44 3559.52 3397.73 v3707.99m/s

3.2数据处理

(a) v1549.55m/s,v30.69m/s 故v1549.5530.69m/s (b) v1518.61m/s,v14.40m/s 故v1518.6114.40m/s (c1) v2266.65m/s,v304.41m/s 故v2266.65304.41m/s (c2) v3707.99m/s,v431.37m/s 故v3707.99431.37m/s

4结束语或结论 （1）实验研究结论

本实验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、氯丁橡胶乳液的密度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。

（2）客观评价本方案的优缺点

该实验谐振频率变化对超声声速的测量结果影响可以忽略不计，而波长的变化比谐振频率变化所引起的超声声速的测量结果影响大得多，不可以忽略不计。从而可知该实验结果产生误差的主要原因来自超声声速波长的准确测定，也可以把谐振频率作为常数来进行数据处理。 本实验的难点：

１、输入信号频率的影响：改变输入信号频率，观察接收信号的变化。在某一频率点处（约37~38 KHz之间）接收器接收信号幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点。实验时保持此频率不变。

２、S1、S2间距的影响：随着S1、S2间距的加大，接受信号的幅度会变小，要随时调节示波器的增益，以得到合适的图像。 （3）心得

逐差法处理数据的优点是充分利用测量数据，并对数据有取平均的效果。 参考文献：

《杭州精科空气、液体及固体介质中的声速测量实验讲义》