[两种超声波速度测量方法的比较研究] 超声波灵敏度余量测量方法

　　摘要： 在同样的实验环境条件下，选用四台声速测量仪进行实验，对每台仪器均采用共振干涉法和相位法测量声波在空气中的传播速度并作比较研究。在共振干涉法测量中，选用数字示波器直接观察电压数值变化来确定极大值位置；在相位法实验中，选择示波器的电压最小灵敏度档位观察李萨如形貌变化。实验结果显示，相位法比共振干涉法更准确，更优越。
　　Abstract: Measure the speed of sound with four different sound velocimeter in the same experiment environmental conditions. Each instrument are used for resonance interferometry and phase measurement of acoustic wave propagation velocity in the air and make a comparative study. In the measurement of the resonance interferometry, select the digital oscilloscope to observe changes in the voltage values to determine the maximum position; in the experimental phase method, choose minimum voltage sensitivity of the oscilloscope to observe the changes of lissajous figures. The results show that the phase method is more accurate and superior than the resonance interferometry.
　　关键词： 声波；驻波法；相位法；数字示波器
　　Key words: sound waves；standing wave method；the phase method；digital oscilloscope
　　中图分类号：O657.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0064-02
　　0 引言
　　声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz～20KHz的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在20KHz以上的声波称为超声波。
　　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[1-4]。声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
　　由于超声波具有波长短、易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。超声波的发射接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现。最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。本实验就是测量频率为36.90kHz的超声波在空气中的传播速度。
　　1 实验原理
　　测量声速的方法有两种：时差法和波动法[5-8]。
　　时差法在工程中得到了泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过t时时间后，到达L距离处的接收换能器，所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。声波传播的距离与传播的时间存在下列关系：v=L/t。
　　在波动过程中波速V、波长?姿和频率f之间存在着下列关系：V=f?姿，实验中可通过测定声波的波长?姿和频率f来求得声速V，通常情况下声波的频率是已知的，这样只要测出声波在介质中传播的波长即可。常用的方法有共振干涉法与相位法。本次实验研究采用的就是利用共振干涉法和相位法展开的。
　　1.1 共振干涉法 装置如图1所示，压电陶瓷换能器S1作为声波发射器，它由信号源供给频率36.90千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器S2则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，压电陶瓷换能器压电效应中压力和电信号之间是正比关系，所以示波器上显示的电信号越强说明作用在压电陶瓷换能器端面上的力越大，从而说明处在S2接受器端面位置的声压也越大。由于声波要在S1和S2两器件端面之间反射多次，因此在两各端面之间形成的声波场对应的质点位移变化和声压变化不再是简单的驻波，而是行驻波，但在端面距离较小时，接收端面近似处于声压波腹位置，且相邻的两个声压极大值之间距离?驻L=?姿/2[9-11]，这样只要测量出一系列相邻的声压级极大位置就可以测出波长。
　　1.2 相位法 实验原理如图2所示，当发射端S1发出的平面超声波通过媒质到达接收端S2，在发射波与接收波之间产生相位差：
　　入射波的平面波方程：x=A1cos（?棕t+?渍1）
　　反射波的平面波方程：y=A2cos（?棕t+?渍2）
　　合振动方程为
　　■+■-■cos（?渍1-?渍2）=sin2（?渍2-?渍1）
　　此方程轨迹为椭圆，椭圆长短轴和方位由?驻?渍=（?渍2-?渍1）决定。
　　当?渍2-?渍1=0时，y=■x，轨迹为通过一和三象限的直线。
　　当?渍2-?渍1=?仔/2时，y=■+■=1，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆。
　　当时?渍2-?渍1=?仔时，y=-■x，轨迹为通过二和四象限的直线。
　　由此可见，改变发射端S1与接收端S2的距离L，相当于改变发射和接受间的位相差，示波器上的图形也随之改变。显然?驻L=?姿/2，?驻?渍=?仔。随着振动相位差从0～π的变化，合成的李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。因此，S2每移动半个波长，就会重复出现斜率相反的直线，据此即可测得波长。