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

式。

(4)在仪器使用前,开启电源预热15min。接通市电后,自动工作在连续波方式,选择蒸馏水为介质。“传播介质”按钮选择液体。

(5)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400mV左右(峰—峰值),以使计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值Li、(时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)。保持距离不变随着温度的逐渐降低,记录下当时的时间值。

(6)当使用液体为介质测试声速时,先在测试槽中注入液体,直到把换能器完全浸没,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”,并将连线接至插入接线盒的“液体”接线孔中,即可进行测试,步骤与上相同。

3.2时差法线路连接图

声速

4 记录数据和数据处理

4.1 记录数据

测量次数i 温度T (℃ ) 距离L ( ㎜ ) 时间t (us)

1 20 216.51 164

2 27 216.51 163

3 36 216.51 162

4 48 216.51 161

5 59 216.51 160

6 70 216.51 159

7 73 216.51 158

表1蒸馏水中温度与速度关系实验研究数据

测量次数i 温度T (℃ ) 距离L ( ㎜ ) 时间t (us)

1 20 216.51 144

2 30 216.51 143

3 40 216.51 142

4 54 216.51 141

5 58 216.51 140

6 62 216.51 139

7 66 216.51 138

8 70 216.51 137

9 73 216.52 136

表2自来水中温度与速度关系实验研究数据记录

4.2数据处理

由时差法速度由计算公式水中声速与温度关系的实验研究[10]可得。 例如V=L/t=216.51/164=1320m/s其余计算结果见下表:

测量次数i 温度T (℃ ) 距离L(㎜) 时间t (us) 速度v(m/s)

1 20 216.51 164 1320

2 27 216.51 163 1328

3 36 216.51 162 1336

4 48 216.51 161 1344

5 59 216.51 160 1353

6 70 216.51 159 1362

7 73 216.51 158 1370

表3蒸馏水中温度与速度实验研究数据处理

测量次数i 温度T (℃) 距离L( ㎜ ) 时间t (us) 速度v(m/s)

1 20 216.51 144 1490

2 30 216.51 143 1510

3 40 216.51 142 1517

4 54 216.51 141 1530

5 58 216.51 140 1542

6 62 216.51 139 1557

7 66 216.51 138 1568

8 70 216.51 137 1580

9 73 216.51 136 1592

表4自来水中温度与速度实验研究数据数据处理

4.3绘制曲线图

温度

5实验结论与讨论

本文利用时差法测量超声波在液体中声速的传播特性。实验测量原理简单,方法可行,测量结果精确度高。本文以蒸馏水和自来水为例。检测了水在20~73℃温度范围超声波在水中声速与温度关系的传播特性。给出了不同温度下速度与温度的关系曲线图。实验结果表明随着温度的升高声速变大。虽然在同一温度范围内测量声速,但自来水和蒸馏水中的变化趋势明显不同,蒸馏水中声速变化均匀,而自来水中声速随温度变化较复杂,在20~55℃声速变化较缓慢。55~73℃声速变化较快。这与它们的成分不同有关,自来水中成分复杂。这其中主要因素主要是因为散射、衰减、吸收、外界因素等。为完善检测方法和检测系统提供了参考。从资料中可知,当外界压强为一个大气压时,超声波在水中的声速先是由温度的升高而变大,直至温度达到73℃时为止,然后随温度的继续升高而减少[12]。由于实验条件所制,本实验无法测量73℃以后声速随温度的变化关系。

6结束语

结果表明,在自来水和蒸馏水中声速随温度的升高而增加,而且自来水中的声速比蒸馏水中的声速大。且在同一温度变化范围内,自来水中比在蒸馏水中声速的变化趋势大,本文利用超声波采用时差法测定蒸馏水和自来水的速度,拓宽了液体速度的测量方法。从测试结果可以看出,这种测量液体的方法确实可靠,在教学中可以把这种方法介绍给学生,使他们学会用不同的仪器,不同的方法来测量液体的速度,从而培养他们发散思维能力,应用只是解决实际问题的能力。