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水中声速和温度关系的实验研究

分类:物理论文   更新:2016/8/10   来源:本站原创

    超声波是一种研究液体分子物理特性及其化学特性的简易方法,早在20世纪70年代人们就重视用超声波进行液体分子物理及其相关性质的研究[1-5],90年代又有不少研究报道[6-9]。但是声速随温度变化复杂,需要我们做进一步的探索。本文利用时差法来测量了超声波在液体中的传播特性。下面具体介绍利用超声波测定声波在水中的传播速度随温度变化的测量原理和测量方法。

      2实验原理

      2.1 时差法测量声速

      时差法测量声速是利用已知声波传播的距离,测量发射脉冲和接收脉冲之间的时间差。

      计算出声速在液体中的传播速度,即超声波 [10] (1)

      时差法

      其中▽L的是位移之差,▽T是传播所用的时间。

      在储液槽中注入液体,直至将换能器完全浸没,但不能超过液面线。注意:注入液体时,不能将液体淋在数字显示表头上。将专用信号源上的“声速传播介质”置于“液体”位置,换能器的连接端应在接线盒上的“液体”专用插座上。

      测量液体声速时,由于在液体中声波的衰减较小,因而存在较大的回波叠加,并且在相同频率的情况下,其波长要大得多,用驻波法和相位法测量时可能会有较大的误差,所以建议采用时差法测量。

      2.2 陶瓷换能器工作原理

      频率在20Hz~20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成超声波超过

      20KH超声波,超声波的传播速度就是声波的传播速度,而超声波长短,易于定

      向发射等优点[11],声速实验声速所采用的声波频率一般都在20~60kHz之间。此

      频率范围内,采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器,接收效果最佳。压电陶

      瓷换能器根据它的工作方式,分为纵向(振动)换能器。声速教学实验中大多数

      采用纵向换能器。图3为纵向换能器的结构,用示波器观察波谷和波峰,或观察两个波间的相位差,原理是正确的,但读数位置不易确定。较精确测量声速是用声波时差法。时差法在工程中得到了广泛的应用,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,经过时间后,到达距离处的接收陶瓷换能器图2

      水中声速与温度关系的实验研究

      3 实验方法

      3.1 时差法测量声速操作方法

      (1)实验时只要按图3连接中换能器的S2该接在信号源的S2上,再把信号源上的Y1,Y2顺次与示波器上的Y1,Y2接通即可。

      (2)将测试方法设置到脉冲波方式,将换能器的S1,S2调节到一定距离,在调解接收增益,使得显示的时间差值读数稳定,此时仪器内置的计数器工作在最佳状态,记录此时的距离值和时间值。移动S2,如果计时器读数有跳变,则微调接收增益(距离大时,顺时针调节;距离小时,逆时针调节),使得计数器连续稳定的变化。

      (3)将测试方法设置到脉冲波方

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