超声波在不同介质中的传播速度及损耗系数测量

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超声波在不同介质中的传播速度及损耗系数测量

时间:2014-08-16 来源:未知 作者:小韩 本文字数:2676字 论文摘要

  超声波是一种在弹性介质中传播的机械波,由于其具有波长短、传播方向性好等优点,在大学物理的声速测量实验中一般选择超声波段的声波进行测量。超声波由于其频率高、功率大、穿透能力强、信息携带量大等特点,已广泛应用于工业、农业、生物医学以及科学研究等领域,如超声波测距和定位、超声波无损检测、超声波清洗等。描述声波的物理量有波长、频率、传播速度、强度等,对这些量的测量是声学技术的重要内容,声速的测量在声波测距、定位和无损检测中有着广泛的应用。

  声速测量实验属于大学物理实验中的基础性实验,一般仅开设超声波在空气中传播速度的测量,该部分原理简单,导致实验内容不饱满,因此,根据仪器特点,可将声速测量实验改造为超声波专题设计综合实验,增设一些设计性实验内容。测量超声波在不同介质中的传播速度;研究同一介质中随发射和接收端距离变化,接收端振幅的变化规律;计算不同介质中超声波的损耗系数等。对于实验数据的处理要求学生使用 Origin、Matlab 等软件辅助完成,在学习物理内容的同时,熟练掌握常用数据处理软件的使用,不断挖掘学生学习的积极主动性,培养学生的创新意识和能力。

  1 实验原理

  超声波传播速度常用的测量方法有共振干涉法、相位法、反射回波法等,本文采用共振干涉法研究不同介质中超声波的传播特性。共振干涉法又称驻波法,实验装置如图 1 所示,由示波器、声速测量仪和信号发生器组成,S1和 S2为压电陶瓷换能器,利用压电效应实现声压和电压之间的相互转换。在信号发生器产生的交变电压作用下,使发射端 S1产生机械振动,将激发的超声波经介质传播到接收端 S2,若接收面与发射面平行,声波在接收面处就会被垂直反射,当接收端与发射端距离恰好等于半波长的整数倍时,两波叠加后形成驻波,当信号发生器的激励频率等于压电陶瓷换能器的固有频率时,会产生驻波共振。通过示波器观察接收端 S2的电信号波形,如图 2 所示,发现交变电压的峰峰值 Vpp随着接收端 S2的移动在最大值和最小值之间循环变化,当接收端 S2与发射端S1距离x等于半波长的整数倍时,由示波器可观察到交变电压峰峰值Vpp的最大值,移动S2,经过半个波长,再次出现Vpp的最大值,此时相邻两波节(或波腹) 间的距离等于半个波长,即:【1】
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  式中,x 为接收端 S2与发射端 S1之间的距离,λ为超声波波长,n = 1,2,3…。声速 v、超声波振动频率 f 和波长 λ 之间的关系为:【2】
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  测得超声波振动频率 f 和波长 λ,可得超声波在不同介质中的传播速度 v。【图1-2】
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  2 超声波在不同介质中的传播速度比较

  温度为 20 ℃ 时,固定压电陶瓷换能器 S1和S2的初始距离为 60 mm,信号发生器输出的交变电压 V0= 500 mV;调节信号发生器的频率,当压电陶瓷换能器 S2的信号振幅达到最大时,信号发生器的激励频率等于压电陶瓷换能器的固有频率,即 f = 38. 694 kHz。旋转声速测量仪的鼓轮改变压电陶瓷换能器 S2的位置,可观察到示波器接收的交变电压Vpp由最大变到最小再变到最大,两相邻的 Vpp最大或最小之间压电陶瓷换能器 S2移动的距离为是 0. 5λ,为方便记录初始位置将数显读数器调零。不同介质中超声波传播距离 x 和示波器接收的交变电压 Vpp的实验数据见表 1。【表1】

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  使用 Origin8. 0 软件绘图并直线拟合,实验曲线如图 3 所示,可得空气、水和白油中超声波传播波长分别为 8. 79 mm、38. 18 mm、33. 64 mm,根据公式(2)可得三种介质中超声波传播速度分别为3 401 m / s、1 477. 3 m / s、1 301. 7 m / s,超声波在液体中的传播速度大于空气。温度为 20 ℃时,超声波在空气和水中的传播速度的理论值分别为343. 5 m / s 和 1 482. 9 m / s,由共振干涉法计算的传播速度的相对误差分别为 0. 8%和 0. 3%,实验结果误差较小。【图3】
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  3 不同介质中超声波传播损耗系数计算

  信号发生器输出的交变电压激发压电陶瓷换能器 S1,由于逆压电效应产生受迫振动,向介质发出一列定向的近似平面波,并传播到压电陶瓷换能器 S2,当交变电压的频率等于压电陶瓷换能器的固有频率时,二者发生共振,此时压电陶瓷换能器 S2输出信号达到最大。当两个压电陶瓷换能器端面互相平行时,发射波和反射波在 S1和 S2之间产生干涉,形成驻波,驻波的振幅可表示为:【3】
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  式中,Vpp为示波器接收的交变电压峰峰值,V0为信号发生器输出的交变电压峰峰值,R 为压电陶瓷换能器 S2的反射系数,x 为超声波传播的距离,α 为超声波在介质中的损耗系数。对(3) 式两边取对数,可得:【4-5】
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  示波器接收的交变电压峰峰值 Vpp随传播距离的变化曲线见图 4,可发现随传播距离增大,交变电压峰峰值Vpp逐渐变弱,超声波在水中衰减幅度最大,相关实验数据见表 1。不同介质中 y = lnVppV0和传播距离 x 关系曲线见图5,可得空气、水和白油中的损耗系数 α 分别为 0. 013 81、0. 018 29、0. 012 33,水中超声波的损耗系数最大。【图4.图5.略】
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  4 结 论
  
  在基础性实验“超声波在空气中传播速度的测量”之外,开设了超声波专题设计综合实验,分别测量了空气、水和白油中超声波传播速度,分别为340. 1 m/s、1 477. 3 m/s、1 301. 7 m/s;研究了同一介质中随发射和接收端距离变化,接收端振幅的变化规律,随传播距离增大,交变电压峰峰值Vpp逐渐变弱,超声波在水中衰减幅度最大;计算不同介质中超声波的损耗系数,空气、水和白油中的损耗系数分别为 0. 013 81、0. 018 29、0. 012 33,水中超声波的损耗系数最大。超声波专题设计综合实验不仅丰富了实验内容,培养了学生勤于思考的科学精神,而且开拓了学生的视野,提高学生分析问题和解决问题的能力。

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