实验报告
学生：陈庆芸      学号： 250601223      院系：机械25-2     提交时间： 2026-4-09 11:18

实验目的：

1.了解超声波的产生、发射和接收方法；

2.用干涉法和相位法测量声速。

实验仪器：

声速测试仪、声速测试仪信号源、高频连接线、示波器。

SV-DH系列声速测试仪是由声速测试仪和声速测试仪信号源两部分组成。分别为SVX-5声速测试仪信号源和SV-DH-5A型声速测试仪。信号频率：用于调节输出信号的频率；发射强度：用于调节输出信号电功率（输出电压）；接受增益：用于调节仪器内部的接受增益。

共有两个换能器，声波从左侧发送换能器S1中发出，在右侧接收换能器S2中接收。发送换能器S1固定不动，旋转右侧的鼓轮可以移动接收换能器S2的位置，从而改变两换能器之间的距离。声波是机械波，声速实验所采用的声波频率一般都在20-60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。

压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器，声速教学实验中多数采用纵向换能器。

声速是声波在介质中传播的速度。由波动理论可知，波的频率f、波速v和波长l之间满足以下关系：v=fv。所以只要知道频率和波长即可求出声速。

声波波长可用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）等进行测量。

1. 驻波法（共振干涉法）测波长当两束幅度相同，传播方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。

波束1:y1​=Acos(ωt−2πxλ​) 

波束2：y2​=Acos(ωt+2πxλ​) 

当它们相交时，叠加后的波形为波束3：y3​=Acos(2πxλ​)cosωt 

这里ω为声波的角频率，t为经过的时间，x为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx/λ)变化。S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器，它由信号源提供交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号，经过信号处理后，输入示波器。我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接受的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且沿相反方向传播，二者在S1与S2之间的区域内产生了波的叠加，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波在接收器S2处的振动情况。移动S2位置（即改变S1与S2之间的距离）从示波器上会发现当S2在某些位置时振幅有最小值，根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为λ/2。为了测量声波的波长，可以在观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的改变S1和S2之间的距离。示波器上可以看到声振动幅值不断地由最大变最小交替变化，二相邻的振幅最大之间S2移动过的距离即为λ/2。距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。根据（14-1）式可求出声速。

2.行波法（相位比较法）测波长声波在传播过程中，相位会产生变化。对于波束1：y1=Acos(ωt-2πx/λ)在经过Δx距离后，接收到的余弦波与原位置的相位差（相移）为θ=2πΔx/λ，如图4—3所示。因此通过示波器观察李萨如图形，可测出声波的波长。

3.时差法测量声速原理经脉冲调制后，声波从发射换能器发出，在介质中经过时间t传播后L距离后，到达接收换能器。所以可用以下公式求出声速。速度C=距离L/时间t。

1.仪器在使用之前，需开机预热15分钟，在接通市电后，自动工作在连续波方式，选择介质为空气的初始状态。

2．连接装配。

①测试架上的换能器与声速测试仪信号源之间的连接

信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出一定频率的功率信号，与测试架左边的发射换能器（S1）相连接；信号源面板上的接收端换能器接口（S2），与测试架右边的接收换能器（S2）相连接。

②示波器与声速测试仪信号源之间的连接

信号源面板上的发射端的发射波形Y1，与双踪示波器的CH1（Y1）相连接，用于观察发射波形；仪器面板上的接收端的接收波形(Y2)，双踪示波器的CH2（Y2）或者X通道（相位法的接法）相连接，用于观察接收波形。

3.确定压电陶瓷换能器的最佳工作点

只有当换能器S1与S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调至发射换能器S1谐振频率点处，才能较好的进行声能与电能的相互转换，以得到较好的实验效果。超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出电压在10～15V之间，调整信号频率在25～45kHz之间，观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5kHz～37.5kHz之间）电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，此时实验效果最佳。

4.干涉法/驻波法测量波长

将测试方法设置到连续波方式。通过实验步骤的2、3以后，观察示波器，找到接收波形的最大值。然后，转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，记录下幅度为最大时的距离Li-1，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离Li。可得：波长λi=2|Li-Li-1|。由已求得波长λi和声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出的频率fi，声速Ci=λi×fi。

5.相位法/李萨如图法测量波长

将测试方法设置到连续波方式。通过实验步骤2、3后，观察示波器，转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记录下此时的距离Li-1，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形又回到前面特定角度的的斜线，记录下此时的距离Li。可得：波长λi=|Li-Li-1|。由已求得波长λi和声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出的频率fi，声速Ci=λi×fi。

6.时差法测量声速

将测试方法设置到脉冲波方式。将S1和S2之间的距离调到一定距离（≥50mm），再调节接收增益，使示波器上显示的接收波信号幅度在300～400mV左右（峰-峰值），使定时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值Li-1和显示的时间值Ti-1（时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出）。移动S2，同时调节接收增益使接收波信号幅度始终保持一致。记录此时的距离值Li和显示的时间值Ti，则声速Ci=(Li-Li-1)/(Ti-Ti-1)。

当使用液体介质测试声速时，先在测试槽中注入液体，直至把换能器完全浸没，但不

能超过液面线。然后将信号源面板上的介质选择键切换至“液体”，即可进行测试，步骤相同。

在声速测量实验中，确定换能器最佳工作频率的核心方法是通过调节信号频率，找到使系统输出幅度最大、波形最稳定的谐振频率。

在“驻波共振干涉法”实验中，正弦波振幅随接收器S2远离而衰减，主要由以下三个物理因素决定：

1. 声波的几何扩散：换能器发出的超声束并非理想的平行光，而是略有发散。随着距离增大，声波能量散布到更大面积，导致正对接收器的单位面积能量下降。

2. 空气对声波的吸收：这是最主要的原因。声波在空气中传播时，因空气的粘滞、热传导以及分子弛豫过程（尤其对超声波），能量会不断转化为内能。距离越长，累积吸收越大，振幅指数级衰减。

3. 换能器接收角度与反射损耗：S2较大距离时，微小的对准偏差会因声程变长而放大，导致接收效率下降。同时，在S1和S2之间来回反射的波能量也会因反射损耗而减弱，影响共振强度。

相位比较法中，李萨如图形为直线时对应两列声波的相位差为 0 或 π（同相或反相），这是相位变化整数倍π的精确标志。只有在此状态下，才能准确判断接收器移动了半个波长的整数倍，从而为测量波长提供唯一的、高灵敏度的参考点，避免椭圆图形带来的读数模糊和误差。