超聲波專題實(shí)驗(yàn)開展及其傳播特性研究

李艷琴

(大連大學(xué)，遼寧 大連 116622)

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，由于其具有波長(zhǎng)短、傳播方向性好等優(yōu)點(diǎn)，在大學(xué)物理的聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中一般選擇超聲波段的聲波進(jìn)行測(cè)量。超聲波由于其頻率高、功率大、穿透能力強(qiáng)、信息攜帶量大等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域，如超聲波測(cè)距和定位、超聲波無損檢測(cè)、超聲波清洗等［1-3］。描述聲波的物理量有波長(zhǎng)、頻率、傳播速度、強(qiáng)度等，對(duì)這些量的測(cè)量是聲學(xué)技術(shù)的重要內(nèi)容，聲速的測(cè)量在聲波測(cè)距、定位和無損檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)屬于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，一般僅開設(shè)超聲波在空氣中傳播速度的測(cè)量，該部分原理簡(jiǎn)單，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不飽滿［4］，因此，根據(jù)儀器特點(diǎn)，可將聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)改造為超聲波專題設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)，增設(shè)一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容［5］。測(cè)量超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度;研究同一介質(zhì)中隨發(fā)射和接收端距離變化，接收端振幅的變化規(guī)律;計(jì)算不同介質(zhì)中超聲波的損耗系數(shù)等。對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理要求學(xué)生使用Origin、Matlab等軟件輔助完成［6，7］，在學(xué)習(xí)物理內(nèi)容的同時(shí)，熟練掌握常用數(shù)據(jù)處理軟件的使用，不斷挖掘?qū)W生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力［8-10］。

1 實(shí)驗(yàn)原理

超聲波傳播速度常用的測(cè)量方法有共振干涉法［11］、相位法［12］、反射回波法［13］等，本文采用共振干涉法研究不同介質(zhì)中超聲波的傳播特性。共振干涉法又稱駐波法，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由示波器、聲速測(cè)量?jī)x和信號(hào)發(fā)生器組成，S1和S2為壓電陶瓷換能器，利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲壓和電壓之間的相互轉(zhuǎn)換。在信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的交變電壓作用下，使發(fā)射端S1產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將激發(fā)的超聲波經(jīng)介質(zhì)傳播到接收端S2，若接收面與發(fā)射面平行，聲波在接收面處就會(huì)被垂直反射，當(dāng)接收端與發(fā)射端距離恰好等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，兩波疊加后形成駐波，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器的激勵(lì)頻率等于壓電陶瓷換能器的固有頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生駐波共振。通過示波器觀察接收端S2的電信號(hào)波形，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)交變電壓的峰峰值Vpp隨著接收端S2的移動(dòng)在最大值和最小值之間循環(huán)變化，當(dāng)接收端S2與發(fā)射端S1距離x等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，由示波器可觀察到交變電壓峰峰值Vpp的最大值，移動(dòng)S2，經(jīng)過半個(gè)波長(zhǎng)，再次出現(xiàn)Vpp的最大值，此時(shí)相鄰兩波節(jié)(或波腹)間的距離等于半個(gè)波長(zhǎng)，即:

式中，x為接收端S2與發(fā)射端S1之間的距離，λ為超聲波波長(zhǎng)，n=1，2，3…。

聲速v、超聲波振動(dòng)頻率f和波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系為:

測(cè)得超聲波振動(dòng)頻率f和波長(zhǎng)λ，可得超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度v。

圖1 共振干涉法實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 接收端S2的電信號(hào)波形

2 超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度比較

溫度為20℃ 時(shí)，固定壓電陶瓷換能器S1和S2的初始距離為60 mm，信號(hào)發(fā)生器輸出的交變電壓V0=500 mV;調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率，當(dāng)壓電陶瓷換能器S2的信號(hào)振幅達(dá)到最大時(shí)，信號(hào)發(fā)生器的激勵(lì)頻率等于壓電陶瓷換能器的固有頻率，即f=38．694 kHz。旋轉(zhuǎn)聲速測(cè)量?jī)x的鼓輪改變壓電陶瓷換能器S2的位置，可觀察到示波器接收的交變電壓Vpp由最大變到最小再變到最大，兩相鄰的Vpp最大或最小之間壓電陶瓷換能器S2移動(dòng)的距離為是0．5λ，為方便記錄初始位置將數(shù)顯讀數(shù)器調(diào)零。不同介質(zhì)中超聲波傳播距離x和示波器接收的交變電壓Vpp的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同介質(zhì)中超聲波傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 不同介質(zhì)中超聲波傳播速度曲線

使用Origin8．0軟件繪圖并直線擬合，實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示，可得空氣、水和白油中超聲波傳播波長(zhǎng)分別為 8．79 mm、38．18 mm、33．64 mm，根據(jù)公式(2)可得三種介質(zhì)中超聲波傳播速度分別為3 401 m/s、1 477．3 m/s、1 301．7 m/s，超聲波在液體中的傳播速度大于空氣。溫度為20℃時(shí)，超聲波在空氣和水中的傳播速度的理論值分別為343．5 m/s和1 482．9 m/s，由共振干涉法計(jì)算的傳播速度的相對(duì)誤差分別為0．8%和0．3%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小。

3 不同介質(zhì)中超聲波傳播損耗系數(shù)計(jì)算

信號(hào)發(fā)生器輸出的交變電壓激發(fā)壓電陶瓷換能器S1，由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，向介質(zhì)發(fā)出一列定向的近似平面波，并傳播到壓電陶瓷換能器S2，當(dāng)交變電壓的頻率等于壓電陶瓷換能器的固有頻率時(shí)，二者發(fā)生共振，此時(shí)壓電陶瓷換能器S2輸出信號(hào)達(dá)到最大。當(dāng)兩個(gè)壓電陶瓷換能器端面互相平行時(shí)，發(fā)射波和反射波在S1和S2之間產(chǎn)生干涉，形成駐波，駐波的振幅可表示為［14］:

式中，Vpp為示波器接收的交變電壓峰峰值，V0為信號(hào)發(fā)生器輸出的交變電壓峰峰值，R為壓電陶瓷換能器S2的反射系數(shù)，x為超聲波傳播的距離，α為超聲波在介質(zhì)中的損耗系數(shù)。

對(duì)(3)式兩邊取對(duì)數(shù)，可得:

示波器接收的交變電壓峰峰值Vpp隨傳播距離的變化曲線見圖4，可發(fā)現(xiàn)隨傳播距離增大，交變電壓峰峰值Vpp逐漸變?nèi)?，超聲波在水中衰減幅度最大，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。不同介質(zhì)中y=ln和傳播距離x關(guān)系曲線見圖5，可得空氣、水和白油中的損耗系數(shù) α 分別為0．013 81、0．018 29、0．012 33，水中超聲波的損耗系數(shù)最大。

圖4 交變電壓峰峰值Vpp隨傳播距離的變化曲線

圖5 不同介質(zhì)中y=ln 和傳播距離x關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)“超聲波在空氣中傳播速度的測(cè)量”之外，開設(shè)了超聲波專題設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)量了空氣、水和白油中超聲波傳播速度，分別為340．1 m/s、1 477．3 m/s、1 301．7 m/s;研究了同一介質(zhì)中隨發(fā)射和接收端距離變化，接收端振幅的變化規(guī)律，隨傳播距離增大，交變電壓峰峰值Vpp逐漸變?nèi)?，超聲波在水中衰減幅度最大;計(jì)算不同介質(zhì)中超聲波的損耗系數(shù)，空氣、水和白油中的損耗系數(shù)分別為 0．013 81、0．018 29、0．012 33，水中超聲波的損耗系數(shù)最大。超聲波專題設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)不僅豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生勤于思考的科學(xué)精神，而且開拓了學(xué)生的視野，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

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