实验四十 超声波实验
王淑珍
实验目的
了解声波在空气中传播的特性 了解压电换能器的功能 了解声波的产生、发射和接受方法 进一步掌握示波器、信号发生器的使用方法 加深对波的传播、干涉、驻波、振动合成等理 论知识的理解。 学习驻波法和相位法测试超声波在空气、水中 的传播速度
实验器材

2
.
发射换能器S1发出的一定频率的平面声波，经过
空气传播，到达接收器（接受换能器S2）。如果
接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上
垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反
射面处为驻波的波节。改变接收器与发射源之间
的距离l，在一系列特现象。
由纵波性质和驻波理论可知，接收面按振动位移来 说处于波节时,接收到的声压相应达到最大值,所接受 电信号最强。 移动接受器时、 示波器所显示的 信号幅度会由极 大逐渐变小、然 后再变大、相邻 二次达到极大值 的距离为／2.
为频率； 为波长。
谐振时,声波频率就是低频信号发生器 输出频率。因此声速测量是通过直接测量 声波的波长。
声波波长的测量方法
一.驻波法（共振干涉法）
1.驻波的形成及特点
驻波方程
y1 A cos 2 ( ft
y2 A cos 2 ( ft
x


)
)
x
y y1 y2 2Acos2 x
相位差图
实验内容
用驻波法或相位法测量声音在空气中 或水中的速度。
实验步骤
一．寻找系统的谐振频率
1.转动丝杆寻找信号幅 度最强的位置. 2.调节信号发生器的频 率，使示波器上的信号 幅度最大，此时信号发 生器输出的频率值即为 本系统的谐振频率f0
二. 驻波法测波长
1. 接好电路（发射器——激振器、接收器——拾振器、 发射监测——触发信号、接收监测——CH2 ）。 2.选择连续正弦波工作模式（共振法、相位法），预热 15分钟。 3.寻找谐振频率（CH2通道波幅最大时对应的频率）并 记录此频率，在以后的实验中不得更改此频率。 4.将S2移近S1,在距离10cm附近找共振位置（振幅最 大点），移动S2，依次记下各振幅极大时的x值，记 录10组数据。
计算测量值与理论值的相对误差
注意事项
电源接通时，两超声换能器不得接触。
思 考 题
1 逐差法处理数据的优点是什么？ 2 为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速 测量？ 3 试举三个超声波应用的例子，它们都是利用了
超声波的哪些特性？
4.继续移动S2,示波器上李萨如图形相位发生周期变化, 依次记下斜线出现时S2的位置x1，x2，…。
实验数据及处理
１．驻波法测量空气中的声速
1）实验数据
Li (mm)
L1 L 2 L 3 L 4 L 5 L 6 L 7 L 8 L 9 L10
数据
Li (mm)
L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L18 L19 L 20
三.李萨如图形法
1. 接好电路（发射器——激振器、接收器——拾振器、 发射监测——CH1、接收监测——CH2 ）。 2.选择连续正弦波工作模式。 3. 示波器设置为x、y工作状态,选择适当的档位,调出李 萨如图形。
3.在共振频率下，使S2靠近S1，再缓慢远离S1，当示 波器上出现斜线（△Φ =0、л ），记下S2的位置x。
声压变化与接收器位置的关系
二.相位比较法（李萨如图形法）
示波器x, y轴输入波的相位差：
2L /
因为L改变一个波长时，相位差就改变 2 。利用李
萨如图形就可以测得超声波的波长。
相位差与李萨如图形的关系
当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大 小会随发射——接收的 距离L发生变化，而且椭圆 的相位亦发生变化。
后盖反射板 压电陶瓷片 辐射头
压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、 锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。 压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器， 反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶 瓷片作为声频信号接收器。
2. 示波器
亮 度 调 节
垂直移 位（ CH1）

cos 2ft
波腹:振幅最大的点. 对应的位置：
cos 2 x / 1
cos 2 x / 0
x n / 2 ( n 0,1, 2 )
x (2n 1) / 4 ( n 0,1, 2 )
任意两相邻波腹(波 节)之间的距离为
波节:振幅最小的点. 对应的位置：
垂直移位 （CH2）
水平移位
触发 电平
聚 焦 调 节 CH1通道 CH２通道 灵敏度调节 （ＣＨ２）
扫描 速度 选择
灵敏度调 节（ＣＨ １）
3.信号发生器
输出信号监测
输入信号监测
输出超声发射 器驱动信号
输入超声接收 信号
频率调 节
实验原理
声速、声源振动频率和波长之间的关系为
v f
式中
v 为声速； f
(i 1, 2, 3 10)
1 i ( L10 i Li ) 5 10
1 ( L10 i Li ) (i 1,2,3,) 50 i 1
_ _ v f
3）空气中声速的理论值
T 用 公式vs v0 计算出理论值 vs T0 (式中v 0 331.45m / s为T 0 273.15K时的声速， T t 273.15K)
ZKY-SS声速测定实验仪（信号源、测定仪、 水槽）、示波器
信号源 换能器 移动支架
示波器
zky-ss型声速测定实验仪主要由压电陶瓷换能器 和读数标尺组成。
发射换能器的发射面与接收换能器的 接收面要保持互相平行！
压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成 换 能 器 结 构 图
正负电极片
数据
2）逐差法处理实验数据（见书第10页）
Li 10 Li L11 L1 L12 L 2 L13 L3
5 (m m)
L14 L 4 L15 L5
Li 10 Li
5 ( mm )
L16 L6 L17 L 7 L18 L8 L19 L9 L 20 L10