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第11年
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产品详情
简单介绍：
声速测量组合仪声速测量组合仪
详情介绍：
声速测量组合仪声速测量组合仪声速测量组合仪声速测量组合仪
一、 仪器的结构及主要性能指标
* 1. 仪器结构
声速测量组合仪实验装置。实验装置由支架、数显游标卡尺、超声压电
换能器和接线板组成。
2. 主要技术参数
* (1)在支架上同时安装二副压电换能器，(其中一副单独用于固体声速测量） ；
谐振频率：35kHz?kHz。
*(2) 测量介质：空气、液体、固体（不同长度金属、非金属样品各 3 根） 。
*(3) 测量距离：0～350mm，读数装置：数显表加游标尺，分辨率 0.01mm（无螺距差） 。
*(4) 测量方法：驻波法、相位法和时差法。
*(5) 液槽与测试架可分离，有利于液体存放。
*(6) 声速测定相对误差：2.5%，时差法：2.0%。
*(7) 增加数字式环境温度显示表，温度显示范围：0～50℃，分辨率 0.1℃。
* 二、 仪器主要功能
本仪器是力学实验设备，可用驻波法(干涉法)、相位法(行波法)和时差法对声波在空气
中、液体中以及固体的传播速度进行定量的测定。仪器内声波的发射与接收均采用超声压电
换能系统，完全符合教学大纲对实验的要求。
严格的说，仪器发射的声波属于次超声中的特定频率，即在 35kHz～45kHz 的范围内。
由于压电换能系统的工作频带宽度在几千赫的范围内所以本仪器不适于对任意波长的声波
在空气中的传播速度进行测定。
本仪器在使用时配用专用信号源及示波器即可进行实验。上述通用示波器一般物理实验
室均有配备。
其换能器和接线板上的插口分有两组，分别用于测量固体中的声速和空气（液体）中的
声速。每组换能器都由发射器和接收器组成，其中发射器固定，接收器位置可调。对于固体
中声速的测量，接收器位置只能根据实验提供的铜棒或塑料棒的长度调节。对于空气或液体
中声速的测量，接收器与丝杆相连，转动鼓轮可使接收器前后移动，以改变发射器与接收器
之间的距离。丝杆上方安装有数字游标尺（带机械游标尺） ，可准确显示位移量。每组插口
都由发射（S 1 ）和接收（S 2 ）两个插口组成，分别用于接收信号源的输出信号和向信号源输
出接收器接收到的信号。
压电陶瓷超声换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成。压电陶瓷片（如石英、钛酸
钡、锆钛酸铅等）由一种多晶结构的压电材料做成，在一定的温度下经极化处理后具有压电
效应。当受到与极化方向一致的应力 T 时，压电材料会在极化方向上产生一定的电场强度 E，
它们之间成 E=gT 的线性关系；反之，当与极化方向一致的外加电压 U 加在压电材料上时，
材料的伸缩形变 S 与电压 U 也存在线性关系 S＝dU。比例常数 g、d 称为压电常数，其与材
料性质有关。由于 E 与 T 和 S 与 U 之间都具有简单的线性关系，因此可以将正弦交流电信
号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的波源；同样也可以使声压变化转变为电压的
变化，用来接收声信号。
在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属，组成夹心型振子，头部用轻金属做成喇叭型，
尾部用重金属做成锥型或柱型，中部为压电陶瓷圆环，紧固螺钉穿过环中心。这种结构增大
了辐射面积，增强了振子与介质的耦合作用。由于振子是以纵向长度的伸缩直接影响头部轻
金属做同样的纵向长度伸缩（对尾部重金属作用较小） ，因此其发射的波具有方向性强，平
面性好的特点，同时还可以控制频率在超声波范围内，使一般的音频对它没有干扰。
三、操作步骤
根据实验内容不同，仪器使用前应按图 2 或图 3 将仪器联接好。注意：若环境干扰信号
较强，那么必要时，仪器应有良好接地，以免外界杂散电场引起测定误差。
应用本仪器测定空气中的声速可分别采取驻波法（干涉法）或者相位法（行波法）进行。现
分述如下：
*1.驻波法
由声波传播理论可知，当两只换能器平衡端面间有声波传播而此两换能器平面端面间的
距离又恰好等于其声波二分之一波长的整数倍时，两平面端面间将形成声波驻波。在声波驻
波中，波腹处声压*小、波节处声压*大。接收换能器的反射界面处为波节，声压应*大。
所以可从接收换能器端面声压的变化，亦即是通过示波器，观察接收换能器输出电压（幅度）
的变化来判断声波驻波是否形成。
摇动手柄，改变两只换能器商面间的距离，并同时监测接收换能器输出电压幅度的变化，
记录相邻两次出现*大电压数值时标尺的读数，则两读数之差的**值应等于其声波波长的
二分之一。声波频率由频率计从发射换能器的激励电压信号测出，这样根据公式： v = f • λ
就可算出声波在空气中的传播速度。为提高测量精度应充分应用整个标尺行程，尽可能多的
取得产生驻波时的标尺读数，然后将所得的数据进行逐差法处理，这样对波长的测定能更为
准确。
具体实施步骤如下：
*(1) 两只换能器的输入和输出插口，用导线接上相关仪器。
* (2)摇动手柄，使两只换能器端面靠近，但不可接触，否则会改变发射换能器谐振频率
* (3)增加低频信号发生器输出正弦电压的幅度，同时观察和调整好接收羰监测的示波器，
当有接收输出电压指示后，仔细调整信号发生器的输出信号频率，使发射换能器处于谐振状
态（示波器上波形幅度*大） 。
* (4)摇动手柄，逐渐加大两只压电换能器端面间的距离，同时监测接收输出指示，当每出
现一次*大数值时，读取并记录标尺指示数。为准确得到接收声压*强的位置，应仔细缓慢
地调节接收换能器位置。
* (5)按实验要求测出所需数据个数，进行处理后，计算出声波在空气中的传播速度。
* 2.相位法：
x
* (1) 按图 2 连接实验线路；把输入信号接到示波器的
轴（
C
H
1)
，接收换能器输出电压
y
信号引入示波器 轴
(CH2) （一般示波器 轴灵敏度较高） 。注意调节示波器 x , y 轴衰减
和增益旋纽，使示波器荧光屏上的李沙育图形能便于观察，按驻波中第三条调整，使发射换
能器谐振。
* (2)为了便于准确判断相位关系，将接收换能器调整到相位差为 Δφ = 0
或
Δφ = π 的位
* 置。读数并记录。示波器荧光屏上具不同相位差的 x, y 输入构成的李沙如图。
* (3)按实验要求测出所需数据个数，用逐差法进行处理，计算出声波在空气中的传播速度。
四、注意事项
* 1.换能器发射面和接收面要保持相互平行；信号源电源打开后 与 不
能接触，以免造成线路短路。
* 2.在移动 测量波长时不可来回旋转鼓轮，以免造成回程误差。
*3. 信号发生器输出电压不宜超出 15V 这是因为：**，换能器输出功率与激励电压具有
非线性关系，电压高输出不一定大，而且还可能减小，换能器输出功率的大小，决定于“电
阻抗”和“机械阻抗”是否良好匹配， （电谐振和机械谐振的配合） 。**，一般频率计*高
输入电压幅度为 20V ，激励电压过高则需增加分压部件。 （这里所指的电压值均为有效值） 。
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