实验原理

测量声速最简单、最有效的方法之一是利用声速v、振动频率f和波长λ之间的基本关系,即

                                           

实验时用结构相同的一对(发射器和接收器)超声压电陶瓷换能器,来作声压与电压之间的转换。利用示波器观察超声波的振幅和相位,用振幅法和相位法测定波长,由示波器直接读出频率f

(一)            谐振频率

超声压电陶瓷换能器是实验的关键部件,每对超声压电陶瓷换能器都有其固有的谐振频率,当换能器系统的工作频率处于谐振状态时,发射器发出的超声波功率最大,是最佳工作状态。

(二)            振幅法

由发射器发出的声波近似于平面波。经接收器反射后,波将在压电陶瓷换能器的两端面间来回反射并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振,产生共振驻波现象,波幅达到极大。由纵波的性质可以证明,振动位移处于波节时,则声压是处于波腹。接收器端面近似为一波节,接收到的声压最大,经接收器转换成的电信号也最强。声压变化和接收器位置的关系可从实验中测出,当接收器端面移动到某个共振位置时,示波器上会出现最强的电信号,如果继续移动接收器,将再次出现最强的电信号,两次共振位置之间的距离即为1/2λ 。  

共振驻波形成示意图

(三)            相位法

   波是振动状态的传播,也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点,其振动状态相同,或者说其相位差为2π的整数倍时两点间的距离应等于波长λ的整数倍,即

     

利用这个公式可测量波长。由于发射器发出的是近似于平面波的超声波,当接收器端面垂直于波的传播方向时,其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时,总可以找到一个位置使得接收到的信号与发射的信号同相。移过的这段距离必然等于超声波的波长λ。为了判断相位差并且测定波长,可以利用双踪示波器直接比较发射的信号和接收的信号,同时沿传播方向移动接收器寻找同相点。也可以利用利萨如图形寻找同相时椭圆退化为斜直线的点。

行波相位示意

     

李萨如图示意

 

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