超声波在固体中传播速度的测量
【实验目的】
1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。 2、学会用逐差法处理实验数据。
3、熟悉超声波发生器、数字显示尺、数字示波器等仪器的使用。 【实验原理】
在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。 时差法测量原理
在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度公式：
L
(1) Ct
即通过在已知的距离ΔL内计测声波传播的时间Δt，从而计算出声波的传播速度C。实验上，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于驻波法和相位比较法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。
图1 发射波与接收波
【仪器与器材】
SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（铝棒和有机玻璃棒）。
【实验内容与步骤】
1. 测量超声波在铝棒中传播速度
图5 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图
（1）按图2接线，将测试方法设置到脉冲波方式，将接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以SVX-7声速测试仪信号源上的计时器不跳字为好。
（2）将发射换能器发射S1端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和长固体棒A0的端面上涂上适量的耦合剂，再把长固体棒A0放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器S2接收端面放置于固体棒A0的上端面并对准，降下S2与固体棒A0端面接触。
（3）这时SVX-7声速测试仪信号源上的计时器的读数为t0 (μs)，SV-DH-7A型测试架上数显尺给出固体棒A0上端面的位置为L0 (mm)。提升接收换能器S2，将另一根长固体棒A1(与A0完全相同)两端面上涂上适量的耦合剂，置于下面的固体棒A0之上，并保持良好接触，再移下接收换能器S2，这时计时器的读数为t1，固体棒A1的位置为L1，将相应数据填在表1中。
（4）类似于上一步测量C1，提升接收换能器S2，将另一根短固体棒A2端面上涂上适量的耦合剂，置于下面的长固体棒A1之上，并保持良好接触，再移下接收换能器S2，这时计时器的读数为t2，短固体棒A2上端面的位置为L2。将相应数据填在表1中。
2. 测量超声波在有机玻璃棒中传播速度
两长一短有机玻璃棒分别记为G0、G1和G2，测量步骤（1）～（4）完全同于1. 将相应数据填在表2中，并进行数据处理。
3. 测量超声波在有机玻璃和铝连接棒中传播速度
先后利用2个长有机玻璃棒G0和G1以及长铝棒A0/1，再次测量超声波分别在有机玻璃棒和铝棒中的速度，测量步骤（1）～（4）完全同于1. 将相应数据填在表3中，并进行数据处理。 【注意事项】
(1) 避免声速测试仪信号源的发射换能器发射S1与接收换能器S2接收端面短路。 (2) 避免接收换能器S2接收端面与材料棒接触过紧。 (3) SV-DH-7A型测试架上的数显尺用后应关闭电源。 【数据处理】
(1) 按C1=(L1-L0)/(t1-t0)计算得长固体棒A/G1中的超声波声速C1； (2) 按C2=(L2-L1)/(t2-t1)计算得短固体棒A/G2中的超声波声速C2；
(3) 计算铝棒和有机玻璃C1和C2的平均值C，并根据提供的参考值计算百分误差Δ(%)。
(3)按C=(L2-L0)/(t2-t0) 计算超声波在有机玻璃和铝连接棒中的平均传播速度C。 实验数据的处理结果亦填在数据记录表中。
表1 测量超声波在铝棒中传播速度
表2 测量超声波在有机玻璃棒中传播速度
表3 测量超声波在有机玻璃和铝连接棒中传播速度
固体中的纵波声速参考数据：
铝：CA=5150 m/s， 有机玻璃：CG=2200 m/s. 由于多种原因，实际测得的声速范围可能会较大。 【思考题】
1、声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？ 2、声音在不同介质中传播有何区别？声速为什么会不同？
3、超声波在有机玻璃和铝连接棒中的平均传播速度CAG与实测的CA和CG有什么关系？
4、超声波在空气中的速度为多少？
5、你认为本实验的误差Δ都来源于什么因素？
超声波在固体中传播速度的测量
【实验目的】
1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。 2、学会用逐差法处理实验数据。
3、熟悉超声波发生器、数字显示尺、数字示波器等仪器的使用。 【实验原理】
在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。 时差法测量原理
在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度公式：
L
(1) Ct
即通过在已知的距离ΔL内计测声波传播的时间Δt，从而计算出声波的传播速度C。实验上，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于驻波法和相位比较法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。
图1 发射波与接收波
【仪器与器材】
SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（铝棒和有机玻璃棒）。
【实验内容与步骤】
1. 测量超声波在铝棒中传播速度
图5 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图
（1）按图2接线，将测试方法设置到脉冲波方式，将接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以SVX-7声速测试仪信号源上的计时器不跳字为好。
（2）将发射换能器发射S1端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和长固体棒A0的端面上涂上适量的耦合剂，再把长固体棒A0放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器S2接收端面放置于固体棒A0的上端面并对准，降下S2与固体棒A0端面接触。
（3）这时SVX-7声速测试仪信号源上的计时器的读数为t0 (μs)，SV-DH-7A型测试架上数显尺给出固体棒A0上端面的位置为L0 (mm)。提升接收换能器S2，将另一根长固体棒A1(与A0完全相同)两端面上涂上适量的耦合剂，置于下面的固体棒A0之上，并保持良好接触，再移下接收换能器S2，这时计时器的读数为t1，固体棒A1的位置为L1，将相应数据填在表1中。
（4）类似于上一步测量C1，提升接收换能器S2，将另一根短固体棒A2端面上涂上适量的耦合剂，置于下面的长固体棒A1之上，并保持良好接触，再移下接收换能器S2，这时计时器的读数为t2，短固体棒A2上端面的位置为L2。将相应数据填在表1中。
2. 测量超声波在有机玻璃棒中传播速度
两长一短有机玻璃棒分别记为G0、G1和G2，测量步骤（1）～（4）完全同于1. 将相应数据填在表2中，并进行数据处理。
3. 测量超声波在有机玻璃和铝连接棒中传播速度
先后利用2个长有机玻璃棒G0和G1以及长铝棒A0/1，再次测量超声波分别在有机玻璃棒和铝棒中的速度，测量步骤（1）～（4）完全同于1. 将相应数据填在表3中，并进行数据处理。 【注意事项】
(1) 避免声速测试仪信号源的发射换能器发射S1与接收换能器S2接收端面短路。 (2) 避免接收换能器S2接收端面与材料棒接触过紧。 (3) SV-DH-7A型测试架上的数显尺用后应关闭电源。 【数据处理】
(1) 按C1=(L1-L0)/(t1-t0)计算得长固体棒A/G1中的超声波声速C1； (2) 按C2=(L2-L1)/(t2-t1)计算得短固体棒A/G2中的超声波声速C2；
(3) 计算铝棒和有机玻璃C1和C2的平均值C，并根据提供的参考值计算百分误差Δ(%)。
(3)按C=(L2-L0)/(t2-t0) 计算超声波在有机玻璃和铝连接棒中的平均传播速度C。 实验数据的处理结果亦填在数据记录表中。
表1 测量超声波在铝棒中传播速度
表2 测量超声波在有机玻璃棒中传播速度
表3 测量超声波在有机玻璃和铝连接棒中传播速度
固体中的纵波声速参考数据：
铝：CA=5150 m/s， 有机玻璃：CG=2200 m/s. 由于多种原因，实际测得的声速范围可能会较大。 【思考题】
1、声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？ 2、声音在不同介质中传播有何区别？声速为什么会不同？
3、超声波在有机玻璃和铝连接棒中的平均传播速度CAG与实测的CA和CG有什么关系？
4、超声波在空气中的速度为多少？
5、你认为本实验的误差Δ都来源于什么因素？