超声波传播速度的测量

超声波传播速度的测量

【教学目的】

1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。

2.了解压电换能器的功能。

3.学习用逐差法处理数据。

【教学重点】

1. 掌握本实验的原理，熟悉各仪器的使用。

2. 能够运用驻波共振法和相位比较法准确的测出超声波在空气中的传播速度。

【教学难点】

理解并掌握驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度的原理及方法。

【课程讲授】

提问：1. 本实验中的超声波是如何获得的？

2. 如何利用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度？

一、实验原理

频率介于20Hz ～20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz ～500MHz 的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz ～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。

根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ,其中

υ为波速, λ为波长,f 为频率。

图1共振法测量声速实验装置

在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。声波的频率f 可以直接从低频

信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。

图2 相位比较法测量声速实验装置

1.相位比较法

实验装置接线如图2所示，置示波器功能于X －Y 方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动方程为：

22见图

(a)0=?? (b)4π?=

? (c)2π?=? (d)4

3π?=? (e)π?=? 图3 合成振动

长λ和频率f ，根据式f ?=λυ即可计算出声音传播的速度。改变S1和S2之间的距离L ，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L 不断变化。显然，当S1、S2之间距离改变半个波长

2/λ=?L ，则??＝π。

2.共振干涉(驻波)法测声速

由声源S 1发出的声波（频率为f ），经介质（空气）传播到S 2，S 2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果接收面（S 2）与发射面（S 1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。反射面处是位移的波节，声压的波腹。改变接收器与发射源之间的距离L ，在一系列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波共振现象。此时L 等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。通过压电转换，产生的电信号的电压值也最大（示波器显示波形的幅值最大）。因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离ΔL ，即可得到该波的波长λ（λ=2Δx ），并用f ?=λυ计算出声速。

二 、实验仪器

SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH 系列声速测试仪、双踪示波器等。 压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。

压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下

经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力T 时，在极化方向上产生一定的电场强度E 且具有线性关系：T g E ?=,即力→电，称为正压电效应；当与极化方向一致的外加电压U 加在压电材料上时，材料的伸缩形变S 与U 之间有简单的线性关系：

E与

和声速测试仪信号源及双踪示波器之间的连接如图2所示。

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)，用于输出相应频率的功率信号，接至测试架左边的发射换能器(S1)；仪器面板上的接收端的换能器接口(S2)，请连接测试架右边的接收换能器(S2)。

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)，接至双踪示波器的CH1(X)，用于观察发射波形；信号源面板上的接收端的接收波形(Y2)，接至双踪示波器的CH2(Y)，用于观察接收波形。

2.共振频率的调试测量

只有当换能器S1和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节到发射换能器S1谐振频率点处，才能较好地进行声能与电能的相互转换，提高测量精度，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(100mV～500mV之间)，调节信号频率（在25～45kHz），观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处(34.5～37.5kHz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相匹配的频率点，记录频率νi ，改变S1和S2之间的距离，适当选择位置(即：至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置)，再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均值 0 。

3.用相位比较法(李萨如图形)测量波长

1) 将测试方法设置到连续波方式，连好线路，把声速测试仪信号源调到最佳工作频率f。

2）调节示波器：把“扫描时间”旋扭旋至“X-Y”方式；

3）移动S2，依次记下示波器上波形由图3中(a)变为图3中(e)时，读数标尺位置的读数L1、L2…共10个值；

4）记下室温t；

5）用逐差法处理数据。

4.干涉法(驻波法)测量波长

1) 按图1所示连接好电路；

2) 将测试方法设置到连续波方式，把声速测试仪信号源调到共振工作频率（根据共振特点观察波幅变化进行调节）。

3) 在共振频率下，将S2移近S1处，依次记下各振幅最大时的读数标尺位置L1、L2…共10个值；

4) 记下室温t ；

5) 用逐差法处理数据。

四、数据记录及数据处理

1.驻波法

t= 0C =0v 331.45m/s f =

5

∑?=

?i

l l 5

2l ??

=λ λυ?=f 15.273100t

v +=υ

0υυυ-=? %1000

??=

υυ

υE

2. 相位法

t= 0C =0v 331.45m/s f =

5

∑?=

?i

l

l 5

2l ??

=λ λυ?=f 15.273100t

v +=υ

0υυυ-=? %1000

??=

υυ

υE

五、注意事项

1) 换能器发射端与接收端间距一般要在5cm 以上测量数据，距离近时可把信号源面板上的发射强度减

小，随着距离的增大可适当增大； 2) 示波器上图形失真时可适当减小发射强度；

3)测试最佳工作频率时，应把接收端放在不同位置处测量5次，取平均值。

六、思考题

1）本实验中的超声波是如何获得的？

提示：利用压电陶瓷的逆压电效应原理将高频率的电信号转换成超声波信号。将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩变化，从而产生纵向的机械振动，从而产生超声波。

2）超声波信号能否直接用示波器观测，怎样实现？

提示：不能。利用压电陶瓷的逆压电效应将电信号转换成超声波信号发射，再利用其正压电效应将声压转换成电电压的变化用于示波器观测。

3）用驻波共振法测量超声波声速，如何测量其频率？波长又如何测量？

提示：波长：调整接收端和发射端的距离，使之为半波长的整数倍，发射信号与信号相遇产生驻波，据此测量相邻两波幅之间的距离计算得到。

频率：调整发射信号的频率，观察振幅，使之最大，由此判断发射信号与换能器产生共振，此时发射信号的频率即为超声波的频率。

4）发射信号接CH1通道、接受信号接CH2通道，用驻波共振法时示波器各主要旋钮该如何调节？用相位法时又该如何调节？

提示：见实验步骤。

5）固定距离，改变频率，以求声速。是否可行？

提示：不行，换能器有一个固有频率，发射信号的频率与之相等时产生共振，幅度最大，若发射信号的频率偏离其固有频率，幅度衰减很快直至幅度为零，不利于观测。

声速的测量(超声)实验报告

声速的测量（超声） 一、实验目的： ①用共振干涉法求超声声速； ②用相位比较法求超声声速。 二、实验仪器： 超声声速测量仪、信号发生器、数字频率计、同轴电缆、示波器、游标卡尺、压电陶瓷超声换能器。 三、实验原理： ①声速的测量： 利用公式νλ,测量声波的频率ν和波长λ去求声速v。 ②声压驻波：已知两列频率、振幅和振动方向相同的平面简谐波，向相反的方向传播时，叠加的合成波就是驻波，在驻波场中质点振幅最大处为波腹，质点位移振幅近似为零处为波节，相邻波腹或波长的距离为半波长（λ/2）。 ③声波波长的测量：接收器S2输出的信息有两部分：1、驻波的信息，其振幅随S2的移动而变化，在共振时，S1、S2的距离为l：，，，此时振幅较大。2、类 似行波的信息，S1、S2用的相位差，也随着S2的移动而变化，每移动λ/2，相位差改变Π（即180°）。利用这两种信息均可测量声波波长λ。（1）共振干涉法；（2）相位比较法。 四、实验方法： ①用共振干涉法测声速： 示波器的X端用内部扫描，调内部扫描与S2的信息同步，示波器上显示的是S2的交流信号按时间展开的图形，移动S2示波器上图形有时很大，有时很小。在S2移动范围内，仔细测多个出现极大值时S2的位置l1、l2、……、l n，用逐差法求出λ，再求声速v。 ②用相位比较法测声速： 示波器的X端用内部扫描，调内部扫描与S2的信息同步，移动S2示波器上的图形会从椭圆变换到一条直线，再从直线变换到一个反方向的椭圆，往复变换。在S2移动范围内，仔细测多个出现直线时S2的位置l1、l2、……、l n，用逐差法求出λ，再求声速v。 ③记录实验室的实温t。 ④用当前实温和公式求出声速，与以上两种方法求出的声速进行比较， 分析。 五、数据处理： 温度：34℃频率：37500Hz 共振干涉法（单位：mm）： 218.98 213.58 209.20 204.56 199.62 194.92 190.64 185.72 180.62 176.52 相位比较法（单位：mm）： 174.60 169.60 164.80 160.68 155.90 151.22 146.28 141.58 136.68 131.70 共振干涉法： λ

超声波传播速度的测量

超声波在固体中传播速度的测量 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。 【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、熟悉数字示波器等仪器的使用。 【实验原理】 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V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，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前面两种方法要高。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。 连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。 图5-5 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（有机玻璃棒、铝棒等）

【实验内容与步骤】 1、时差法测量超声波在固体中传播速度步骤 图5-6 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图 （1）按图5-6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），以计时器不跳字为好。 （2）将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用接收换能器的自重与固体棒端面接触。 （3）这时计时器的读数为t i-1，固体棒的长度为L i-1 。移开接收换能器， 将另1根固体棒端面上涂上适量的耦合剂，置于下面一根固体棒之上，并保持 良好接触，再放上接收换能器，这时计时器的读数为t i ，固体棒的长度为L i 。 则声速C i =（L i -L i-1 ）/（t i -t i-1 ）。分别测量超声波在有机玻璃棒、铝棒中的 传播速度，填入表5-3中。 （4）测量超声波在不同固体介质中传播的平均速度时，只要将不同的介质同时置于两换能器之间就可进行测量。 因为固体中声速较高、固体棒的长度有限等原因，测量所得结果仅作参考。 2. 液体介质声速的测量 当使用液体为介质测试声速时，按图6所示进行接线。将测试架向上小心提起，就可对测试槽中注入液体，以把换能器完全浸没为准，注意液面不要过高，以免溢出。选择合适的脉冲波强度，即可进行测试，步骤与4相同。 使用时应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件被腐蚀。使用完毕后，用干燥清洁的抹布将测试架及换能器清洁干净。 【注意事项】 1、使用时，应避免声速测试仪信号源的功率输出端短路。 2、严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将液体（水）滴 到数显尺杆和数显表头上，请用60℃以下的温度将其烘干，即可使用。3、数显尺用后应关闭电源。 【数据处理】 1、列表记录用时差法测量有机棒及金属棒的实验数据。 （1）三根相同长度和材质的待测棒，利用叠加获得不同的长度。 （2）每个长度所测得相对应的时间。

超声波在车辆测速中的应用

超声波在车辆测速中的应用 随着交通系统的发展，越来越多的传感器被应用在交通系统中。其中超声波传感器由于其自身的优点在测距测速中得到了广泛的应用。超声波是频率高于2O kHz 的声波，其波长短，方向性好．穿透能力强。它在医学、军事、工业、农业上有很多的应用，可用于测距，测速、测厚、探伤和超声成像等。超声波在空气中传播，遇到障碍物会反射回来，由发射与接收的时间差，可计算发射器到障碍物的距离。与激光测距设备相比，超声波以其方便、简单、成本低等因素被广泛应用于短距离的测量中。 超声波测距是利用超声波指向性强、能量消耗缓慢并因而在特定介质中传输距离远的特点，通过发射具有特征频率的超声波实现对被摄目标距离的探测。在交通系统中，利用超声波传感器测距测速有很重要的意义，不仅能采集到交通数据进行状态评估，而且还能有效地避免交通事故的发生。在智能交通系统中，超声波传感器被安装在路边来测量通过车辆的速度，判断是否超速。在无人驾驶智能车上安装超声波传感器，可以自动检测前车的距离，防止追尾事故；同时还可以检测前车的速度，做出是否超车的判断。 测量原理 超声波测距模块到障碍物的距离 S=（△T×V0）/2 (1) 式中：△T为超声波由发射到接受的用时：V0为超声波在空气中的传播速度，且 与温度的关系为V0=331.5+0.6T (2) 式中T为环境摄氏温度。根据式（2）进行声速修正可提高测量精度。当超声波传感器静止，被测物体以相对声速低速运动时，假设t1时刻测得被测物体与传感器距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则超声波传感器与被测物体之间的相对速度 V=（s2-s1）/(t2-t1) (3) 当传感器装在车上进行运动测速时，如图1.1所示，假设车A运动速度为V1, 假设t1时刻测得前车B与车A距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则两车相对速度为 △ V=（s2-s1）/(t2-t1)（4） 可以得到车B的速度为V2=V1+△V。 设计实现 硬件设计 主芯片为飞思卡尔xls128,控制舵机的转动，33886驱动电路，驱动电机转动，同时光电传感器检测道路信息，将采集到的路面信息传回单片机，控制智能车的行驶方向。超声波传感器模块由一个发射器和接收器构成，单片机控制发射器发出频率为40kHz的脉冲，并开始计时，遇到最近障碍物反射回接收器，计时结束，通过发射接受的时间间隔计算出距离。

华中科技大学超声声速的测量课件

实验3.12 超声声速的测量 声波是一种机械波，它可以在气态、液态、固态物质中传播，它会引起物质的光学、电磁、力学、化学性质以及人类生理、心理等性质的变化。人耳能听到的声波称为可闻声波，频率在20Hz ～20kHz 之间，频率低于20Hz 的声波称为次声波，频率高于20kHz 则称为超声波。超声波在媒质中传播时，声速、声衰减和声阻抗都和媒质的特性及状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性和状态变化。这些声学量的测量方法就是超声无损检测的实验基础。由于媒质中的声速与媒质的许多非声学特性都有直接或间接的关系，所以通过声速的测量可以求出固体媒质的弹性模量，进行气体成分分析，测定液体的比重，液体的成分及溶液浓度等。利用媒质的温度、压强、流速与声速的关系则可以探测这些状态参量的变化。媒质中的声速是应用最广而且测量精度也较高的声学量。测量声速依据的原理可以是t l v /=（l 表示声音传播的距离，t 表示通过这段距离的时间） ，也可以是λf v =（f 为声波的频率，λ为声波的波长）。本实验采用的共振干涉法和相位比较法均属于后者。 一、预备问题 1． 压电换能器是如何工作的？ 2． 声波在媒质中传播的速度与哪些因素有关？ 3． 何为共振干涉法和相位比较法？ 二、引言 1．超声波的发射和接收 超声波的发射和接收都需要用换能器，换能器的作用是将其它形式的能量转换成超声波的能量（发射换能器），或将超声波的能量转换为其它可以检测的能量（接收换能器）。最常使用的是压电换能器。压电晶体（如石英）或压电陶瓷（如钛酸钡、锆钛酸铅）这类压电材料受到应力T 的作用会在材料内产生电场E ，且满足T E ?=σ（σ为压电常数），这就是压电效应。压电效应是法国人居里兄弟1880年在研究热电现象和晶体对称性的时候发现的。压电换能器接收超声波信号使之转换为电信号，从而将机械能转换为电能，利用的就是压电效应原理。当超声波频率与系统固有（共振）频率一致时所产生的电信号最强。压电材料还具有逆压电效应，压电材料在电场E 的作用下产生伸缩形变S ，且满足E d S ?=（d 为伸缩常数），在交变电场的作用下会产生周期性的收缩和伸长，当外加电场的频率和压电体固有频率相同时振幅最大。发射换能器利用逆压电效应就可以将电能转换成超声振动能，在周围媒质中激发超声波。 2．声速的测量 声波在媒质中传播的速度决定于媒质的密度、弹性模量等性质。声波在液体和固体中的传播速度一般大于在气体中的传播速度。声速也和媒质的压强、温度等状态有关，因为温度变化一般比压强大，所以温度对声速的影响也比较大。若频率已知，测出波长即可根据波长、频率和声速三者的关系λf v =求出波速。 （1）共振干涉法测声速 如图3.12-1 所示，S 1、S 2都是压电换能器，两者相互平行。由低频信号发生器输出的频率为f 的正弦电信号激励超声波发射器S 1发射出沿x 方向传播的近似平面超声波，经超声波接收器S 2反射后，在两端面间来回传播并叠加而形成驻波（严格地说还有行波的成份）。在驻波场中，x 处空气质点的位移y 可表示为

本生灯法测定燃气法向火焰传播速度测试装置

本生灯法测定火焰法向传播速度实验指导书 一、实验目的 1．巩固火焰传播速度的概念，掌握本生灯法测量火焰传播速度的原理和方法。 2．测定液化石油气的层流火焰传播速度。 3．掌握不同的气/燃比对火焰传播速度的影响，测定出不同燃料百分数下火焰传播速度的变化曲线。 二、实验原理 层流火焰传播速度是燃料燃烧的基本参数。测量火焰传播速度的方法很多，本试验装置是用动力法即本生灯法进行测定。 正常法向火焰传播速度定义为在垂直于层流火焰前沿面方向上火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。在稳定的Bensun 火焰中，内锥面是层流预混火焰前沿面。在此面上某一点处，混合气流的法向分速度与未燃混合气流的运动速度即法向火焰传播速度相平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法线方向上的燃烧速度(图1)，即 0sin s u u α=? 式中：u s －混合气的流速（cm/s ）； α－火焰锥角之半。 或 0318 q u = 式中：q v －混合气的体积流量（L/s ）； h －火焰内锥高度（cm ）； r －喷口半径（cm ）。 上式是使用本生灯火焰高度法测定可燃混合气体的层流火焰传播速度0u 的计算式。在我们的实验中，可燃混合气体的体积流量v q 是用湿式流量计分别测定燃气与空气的体积流量而得到的，内锥焰面底部圆的半径r 可取本生灯喷口半径；内焰锥高度h 可由测高尺测量。 三、实验设备结构 实验台由本生灯、旋涡气泵、湿式气体流量计、U 型管压差计、测高尺等组成。旋涡气泵产生的空气通过泻流阀、稳压罐、湿式气体流量计、调压阀后进入本生灯，燃气经减压器、湿式气体流量计、防回火器、调压阀后进入本生灯与空气预混合，点燃后通过测量内焰锥高度计算火焰的传播速度。 四、实验步骤 1、启动旋涡气泵，调节风量使本生灯出口流速约为0.6m/s ，并由湿式流量计读出空气流量。 2、由以上空气流量，可粗略地估算出一次空气系数1α约为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2时的燃气流量。 3、开启燃气阀，调整燃气流量分别为上述5个 计算值的近似值（流量值由流量计读出）。

超声波测声速实验报告

实验名称：超声波测声速实验报告 一、实验目的 （1）、了解超声波的发射和接收方法。 （2）、加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。 （3）、掌握用干涉法和相位法测声速。 二、实验原理 由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f λ，只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法（共装置图。 波与发射波叠加，它们波动方程分别是： 叠加后合成波为：

的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置： ( n =0,1,2,3……) 的各点振幅最小，称为波节，对应的位置： ( n =0,1,2,3……) 因此只要测得相邻两波腹（或波节）的位置Xn、Xn-1即可得波长。 相位比较法测波长：从换能器S1发出的超声波到达接收器S2，所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差：φ=2∏x/λ，其中λ是波长，x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变2∏。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。 三、实验仪器 超声声速测定仪：主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。函数信号发生器：提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率。示波器：示波器的x, y轴输入各接一个换能器，改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的李萨如图形。并由此可测得当前频率下声波的波长，结合频率，可以求得空气中的声速。 四、实验内容 1．调整仪器使系统处于最佳工作状态。 2．用驻波法（共振干涉法）测波长和声速。

3．用相位比较法测波长和声速。 五、实验数据及处理： f=34kHz; Vp-p=5V; L=3.976cm; 六、实验结论： 波长λ=1.0612cm; 由此声速经测算为v=（354±3）m/s; U=0.8% 七、思考题： 1．固定距离，改变频率，以求声速。是否可行？ 答：不行，由“v = f λ”，距离一定后使得波长无法计算。 2．各种气体中的声速是否相同？为什么？ 答：不同，因为不同气体的密度不同,声波在不同介质中波长改变,根据公式可得结论。

实验42 测量超声波在空气中的传播速度

测量超声波在空气中的传播速度 【实验简介】 声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。声波的振动频率在20Hz～20KHz时，可以被人听见；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20KHz的声波称为超声波。对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。本实验分别采用驻波法和相位法测量超声波在空气中的传播速度。 【实验目的】 1. 学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。 2. 深刻理解驻波的特性，以及相位的物理含义。 3. 了解产生和接收超声波的原理。 【预习思考题】 1. 什么是驻波以及驻波的特点是什么？ 2. 什么是共振？如何判断测量系统是否处于共振状态？ 3. 如何确定最佳工作频率？ 4.相位法中比较的相位是哪两个相位？ 【实验仪器】 示波器，声速测试仪，信号发生器。 【实验原理】 1. 声速的测量 声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系： 测出声波波长和声源的振动频率就可以由式（4.2.1）求出声波的传播速度。声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。 1.1 驻波法测声速 驻波法就是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波进行测量的。 由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。改变声

源和刚性反射面之间的距离l ，驻波场中各质点振动的振幅也在发生变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足 2λ n l = （4.2.2） 时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x ，在满足式（4.2.2）的位置上可以观察到驻波共振状态。由式（4.2.2）可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离x ?为2 λ，即 2λ =?x ( 4.2.3) 只要测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离x ?，就可以求出声波的波长，从而由式( 4.2.1 )计算出声速。这种测量声速的方法又称为驻波共振法。 实验中，通过用示波器观测反射端处的振动状态来判断质点是否处于驻波共振状态。 1.2 相位法测声速 相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来进行测量的。 由声源发出的声波在沿其传播方向上，相位差为π的两质点之间的距离为半个波长2λ，因此，只要测出相位差为π的两质点之间的距离d ?，就可由 2λ =?d ( 4.2.4) 计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。 实验中保持声源的位置不变，改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的相位差，记下相位差每变化π时反射面的位置d ，求出相位差变化π时反射面位置的变化d ?。 示波器测两信号的相位差有两种方法：双踪示波法和李萨如图形法，本实验用李萨如图形测两点的相位差。将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上，在示波器上观察到的李萨如图形是一椭圆，当改变反射面的位置时，两信号的相位差发生变化，李萨如图形由椭圆→直线→椭圆→直线发生周期性变化，如图4.2.1所示，其中相邻两次出现直线时反射面位置的变化就是相位差为π时两质点的距离d ?。

实验二-层流火焰传播速度的测定实验

实验二-层流火焰传播速度的测定实验

实验二层流火焰传播速度的测定实验 一、预备知识 1、火焰传播和化学反应 燃烧发生了一系列化学反应，在这些反应中，燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下发生反应，产生更多的H或者是分解成更小的碎片。 例如，CH4被连续地转化成CH3，CH2，CH。最初形成的各种氧化的中间产物与燃料中的碳结合而首先变为CO，并且燃料中的氢基变为H2，所有的中间产物将接着进一步氧化，再一次通过自由基的作用，而变为 CO2和H2O。总热量的一大部分释放都是发生在第二阶段。这个次序使燃烧具有自持性，且只能够发生在高温下（如1500K以上）。因为只有在高温下，才能是自由基产生的速率比消耗的速率快，而这对燃料完全变形 以及中间产物的氧化是有必要的。 当点燃预混燃料时，局部温度将提高到一个非常高的值，提高了反应速率，从而也引起燃料的燃烧，并且释放出热量。通过热传导把热量 引导到了未燃的相邻区域，相邻区域的温度以及反应率都提高了，因此 燃烧就在那里发生了。我们知道，热量的扩散是火焰传播的原因，燃烧 波传播的速度取决于燃烧后的温度以及未燃混合物的热扩散性。为了把 高温区域的自由基传递到与之接触的低温的未燃混合物中，质量扩散也 是很重要的；通常质量和热扩散率是相同的。 在本实验中，未燃混合物的压力和温度与环境大气一致。火焰传播速度只依赖于混合物中的燃料/氧化剂的数量，它们反过来又控制着火焰的温度。贫油(Φ<1)和富油(Φ>1)的火焰温度比化学恰当比(Φ=1)时更低因 为偏离化学恰当比时多余的物质吸收了由可燃燃料燃烧所产生的热量。 实际上，温度最大值出现在当量比比1稍大一些的地方，因为产物的比热容比化学恰当比时稍低。 如果混合物过贫，燃气温度将太低，而不能产生大量的自由基，因此火焰传播变得不可能。如果混合物过富，大量的燃料将吸收自由基， 因此使燃烧第二阶段不能进行。因此，火焰传播只在某个当量比范围内 才有可能，这被称为可燃极限。对于甲烷—空气混合物，其贫燃极限是 Φ=0.53，其富燃极限是Φ=1.6。 2、火焰稳定性

测量物体速度的几种方法

1 测量物体速度的几种方法 测量物体速度的方法很多，不仅可以利用电磁打点计时器和电流表，还可以利用多种脉冲信号（如：超声波脉冲、电磁脉冲、光电脉冲或激光扫描信号），还可以利用共振、干涉原理、多普勒效应等九种方法进行测量，现介绍如下. 一、 利用电磁打点计时器或电流表测量物体速度 利用电磁打点计时器测量物体速度是中学物理中最常见的，本文不再介绍；但利用电流表测量物体速度很多同学还比较陌生，现举例说明. 例1 如图1所示，变阻器滑动触头P 与某一运动的物体相连，当P 匀速滑动时，电流表就有一定的示数，从电流表的读数可得运动物体的速度.已知电源电动势E=6V ，内阻r=10Ω,AB 为粗细均匀的电阻丝，阻值R=50Ω，长度L=50cm,电容器的电容C=100F μ.某次测量电流表的读数为I=0.10mA ，方向由M 流向N ，求运动物体的速度v . [解析]由分压原理得AB 两端电压AB U = R E R r +，① AB 单位长度上的电压为AB U U L ?=，② 设t ?（极短）时间内，电容器两极板间电压的变化量和 极板上电荷的变化量分别为Uc ?和Q ?，则 Uc U v t ?=????，③ 图1 Q ?=Uc ?·C ，④ 电容器上充（放）电的电流为Q I t ?= ?.⑤ 解①-⑤得()R r L v I REC +=.⑥ 将已知数据代入⑥得v =0.1m/s.根据题目“电流表中的电流方向由M 流向N ”可知，该过程为电容器充电过程，则物体由B 向A 运动. 从⑥可以看出()R r L v I REC +=∝I ，可见电流表的读数与物体的速度成正比.当电流表用做测速时，它的刻度是均匀的. 二、 利用多种脉冲信号（如：超声波脉冲、电磁脉冲或光电脉冲信号）测量物体速度 1、利用超声波脉冲信号测量物体速度（例如：超声波测速仪、水声测位仪（声纳）） 例2(2001·上海) 如图2所示，图A 是高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号.根据发出和接收的信号间的时间差，测出被测物体的速度.图B 中P 1、P 2是测速仪发出的超声波信号，n 1、n 2分别是P 1、P 2由汽车反射回来的信号.设测速仪匀速扫描，P 1、P 2之间的时间间隔Δt 0=1.0s,超声波在空气中传播速度是v 0=340m/s,若汽车是匀速行驶的，则根据图B 可知，汽车在接收到P 1、P 2两个信号之间的时间内前进的距离是__m,汽车的速度是__m/s.

超声波测声速汇总

超声波测声速 声波是一种在弹性介质中传播的机械波,它是纵波,其振动方向与传播方向一致.声速是描述声波在介质中传播特性的一个基本物理量,它与介质的特性及状态因素有关,因而通过介质中声速的测定,可以了解介质的特性或状态变化。例如，测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。 频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz～20kHz的声波可以被人听到,称为可闻声波;频率在20kHz以上的声波称为超声波.超声波的传播速度就是声波的速度.由于超声波具有波长短、易发射、能定向传播等优点,在超声波段进行声速测量是比较方便的. 本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度。 [实验目的] 1.学习相位比较法测定声速的原理及方法.加深对振动合成等理论知识的理解 2.了解压电换能器的工作原理和功能,进一步熟悉信号发生器、示波器的使用 3.练习使用逐差法处理数据 [实验仪器] 声速测定组合仪,信号发生器,示波器 声速测量仪： 由发射器、接收器、游标卡尺组成。当一交变正弦电压信号加在发射器上时，由于压电晶片的逆压电效应，产生机械振动发生超声波。可移动的接收器，将接收的声振动转化为电振动信号输至示波器。接收器的位置由游标卡尺读数确定。 图1. 声速测量仪 使用方法：

左击或右击换能器，可以改变换能器面与水平方向的夹角。按下右边换能器的拖动，可以改变两个换能器之间的的距离。点击或按下窗体中上部的微调按钮，可以缓慢改变两个换能器之间的距离。 信号发生器： 图2. 信号发生器 它是一种多功能信号发生器，可以输出正弦波、方波、三角波三种波形的交变信号，信号频率范围为10Hz—2000kHz，既可分档调节，又可连续调节。信号幅度可连续调节。 1．频率显示窗口：显示输出信号的频率或外测频信号的频率，用五位数字显示信号的频率，且频率连续可调（输出信号时）。 2．幅度显示窗口：显示函数输出信号的幅度，由三位数字显示信号的幅度。 3．输出波形，对称性调节旋钮（SYM）：调节此旋钮可改变输出信号的对称性。当电位器处在关闭或者中心位置时，则输出对称信号。输出波形对称调节器可改变输出脉冲信号空度比，与此类似，输出波形为三角或正弦时可使三角波调变为锯齿波, 正弦波调变为正与负半周分别为不同角频率的正弦波形，且可移相180?。（仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。） 4．速率调节旋钮（WIDTH）：调节此电位器可以改变内扫描的时间长短。在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过低通开关进入测量系统。 5．扫描宽度调节旋钮（RATE）：调节此电位器可调节扫频输出的扫频范围。在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过衰减“20dB”进入测量系统。 6．外部输入插座（INPUT）：当“扫描/计数键”（13）功能选择在外扫描外计数状态时，外扫描控制信号或外测频信号由此输入。 7． TTL信号输出端（TTL OUT）：输出标准的TTL幅度的脉冲信号，输出阻抗为600Ω。 8．函数信号输出端：输出多种波形受控的函数信号，输出幅度20Vp–p（1MΩ负载）,10Vp–p (50Ω负载)。

超声波测距实验报告

电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪

目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)

摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波

超声波测车速练习(供参考)

超声波测车速 1如图（a），停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1 n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设 测速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为0.9秒，超 声波在空气中传播的速度为340米/秒，假设被测汽车沿 直线匀速行驶． （1）图b中每小格表示的时间是s． （2）测速仪第一次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （3）测速仪第二次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （4）汽车的速度是多少m/s？ 2．高速公路上常用超声波测速仪来测量汽车速度。某次检测时，第一次发出信号到接收到超声波返回信号，用时0.4s，如图所示。第二次发出到接收到返回信号用时0.3s，两次发出信号时间间隔是1s。（假设超声波的速度为340m/s，且保持不变）求：（1）题目中被测汽车第一次接收到超声波时，汽车到超声波测速仪的距离S1是多少？（2）被测汽车两次接收到超声波的距离差S3是多少？（3）被测汽车的速度是多大？ 3.如图（a）所示，停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1 n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设测速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为0.9秒，超声波在空气中传播的速度为340米/秒，则被测车的车速为（） A．20米/秒B．25米/秒C．30米/秒D．40米/秒 4．（2013?绍兴）交通部门常用测速仪检测车速。测速原理是测速仪前后两次发出并接受到被测车反射回的超声波信号，再根据两次信号的时间差，测出车速，如图甲。某次测速中，测速仪发出与接收超声波的情况如图乙所示，x表示超声波与测速仪之间的距离。则该被测汽车速度是（假设超声波的速度为340米/秒，且保持不变）（）D A．28.33米/秒B．13.60米/秒C．14.78米/秒D．14.17米/秒 5．测量员是这样利用回声测距离的：他站在峭壁之前某一位置鸣枪，经过1.00s听到回声，已知声速为340m/s，则测量员能测出他与峭壁间的距离为170m．与此类似，如图所示是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪指向车辆发出超声波脉冲信号，并接收经车辆反射的超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度．在某次测速过程中，超声波测速仪对某一汽车共发射两次信号，接收两次信号，

大学物理实验：超声声速测定

超声声速测定 声波特性的测量，如频率、波长、声速、声压衰减、相位等，是声波检测技术中的重要内容。特别是声速的测量，不仅可以了解媒质的特性而且还可以了解媒质的状态变化，在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的实用意义。例如，声波测井、声波测量气体或液体的浓度和比重、声波测量输油管中不同油品的分界面等等。 “声速的测量”是一个综合性声学实验。实验中采用压电陶瓷超声换能器通过驻波法（共振干涉法）和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度，这是一个非电量电测方法的应用。通过这个实验可以重点学习如下内容：（1）实验方法：非电量的电测方法；测量声速的驻波法和相位比较法。（2）测量方法：利用示波器测量电信号的极大值和观察李萨如图形测量相位差的方法。（3）数据处理方法：求声波波长的逐差法。（4）仪器调整使用方法：双踪示波器和函数信号发生器的正确调节和使用方法。 【实验目的】 1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。 2.了解压电换能器的功能。 3.学习用逐差法处理数据。 【实验仪器】 SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等

【实验原理】 频率介于20Hz ～20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz ～500MHz 的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz ～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。 根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ,其中υ为波速, λ为波长,f 为频率。 图4-5-1共振法测量声速实验装置 在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。声波的频率f 可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。 图4-5-2 相位比较法测量声速实验装置 1.相位比较法 实验装置接线如图4-5-2所示，置示波器功能于X －Y 方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动方程为：

火焰传播速度的通俗讲解

火焰传播速度的通俗讲解 一、火焰传播速度 1. 定义：火焰传播速度是指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混合气的推进速度。火焰传播速度表征了进行燃烧过程的火焰前锋在空间的移动速度（360百科） 的燃烧速度。 2. 解释： 其实将火焰传播速度，限定在未燃可燃混合气太局限了，把其定义为火焰在燃烧物表面移动速度（定义2），就容易理解的多。 如图：

现在换一种物质 很明显燃烧物不同，火焰的的传播速度不同，同样草坪的干湿、荗密程度也会影响到火焰的传播速度，有哪些因素影响火焰传播速度，有关这些我们留待后面再谈，我们现在的着重点是准确的理解火焰传播速度这个概念，

我们讨论了处于静态的可燃物的火焰传播速度，现在我们看下处于运动中的可燃物的火焰传播速度： 如图，有一股流动着燃气流（也可是我们的煤粉流）m，我们先假设它相对静止，注意仅仅是假设，当我们在这股气流的端点用明火点燃，燃气流m1经过2秒达到B处，如果AB距离是3米，我们就说火焰传播速度是1.5米/秒，燃汽流m2经过2秒到达C处，如AC间的距离是4.80米，我们就说它的火焰传播速度是2.4米/秒。 很明显，因为燃气流总是流动的，而且流速是可变的多样的，我们的燃汽流不动只是为使这个概念更加直观，那么处在流动中的燃汽又有

什么变化？ 我们假设燃汽流以2米/秒同样的速度向前移动，当燃烧经过2秒，燃气流m1的B点的介质实际上到达了B1的位置，而且燃气流m2的c点只到达c1点的位置，B1和C1是火焰的实际位置。 很明显m1燃气流经过2秒的燃烧，火焰前锋从A处，进到了B1处，前移了1米，而m2燃气流的火焰前锋则落到C1处，落后了0.8米，这就是说如果燃料的流动速度高于将使火焰不断前移，最后的结果是熄火；如果燃料的流动速度低于火焰传播速度，将形成回火。【品味一下气割的割枪和气体打火机的的现象】，【燃烧稳定的条件是：火焰的传播速度等于燃料的流动速度】，有关进一步的原因，我们后面

超声波传感器测距原理

一、超声波测距原理 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2 ① 这就是所谓的时间差测距法。 由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： V = 331.45 + 0.607T ② 声速确定后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波 测距仪的机理。

二、系统硬件电路设计 图2 超声波测距仪系统框图 基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz 的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 1 、超声波发射电路 超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz 的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 图3中T 为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用

超声波测速

12 =12×s=0.4s= =9×s=0.3s=vt -t+t v==17.9m/s. 超声波测速 超声波测速 适合作流动物质中含有较多杂质的流体的流速测量，超声多普勒法只是其中一种，还有频差法和时差法等等。 时差法测量沿流体流动的正反两个不同方向发射的超声播到达接收端的时差。需要突出解决的难题是这种情况下，由于声速参加运算（作为分母，公式不好写，我积分不够没法贴图），而声速收温度的影响变化较大，所以不适合用在工业环境下等温度变化范围大的地方。 频差法是时差法的改进，可以把分母上的声速转换到分子上，然后在求差过程中约掉，这就可以避开声速随温度变化的影响，但测频由于存在正负1误差，对于精度高的地方，需要高速计数器。 还有就是回鸣法了，可以有效改进由于计数器正负1误差带来的测量误差。 以上这些东东都是关于流体的流速的超声测量方法。对于移动物体的速度测量多采用超声多谱勒法。 根据声学多普勒效应，当向移动物体发射频率为F的连续超声波时，被移动物体反射的超声波频率为f，f 与F服从多普勒关系。如果超声发射方向和移动物体的夹角已知，就可以通过多普勒关系的v,f,F,c表达式得出物体移动速度v。 设超声波速度为V两次发出超声波的时间间隔为T第一次用时为T1第二次为T2则车速为V1=V×（T2-T1）/T（以上数据均可测出） 超声波测速仪测量车速，图B中P1、P2是测速仪发出的超声波信号，n1，n2... 如图所示，图A是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差测出被测物体的速度。图B中P1、P2是测速仪发出的超声波信号，N1、N2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号。设测速仪匀速扫描，

超声波测距电路

超声波测距电路 摘要：随着单片机、DSP、FPGA、CPLD技术的不断成熟，各种智能测量系统不断涌现，测距电路可以用在工业生产、医疗技术、日常生活中各个方面，典型的应用如汽车倒车告警、机器人的自动避障行走、工业上的液位、井深、管道长度等场合，本文在介绍超声波测距原理的基础上总结并讨论现有的几种电路设计方法，并提出增大测量距离及改善系统性能的实现方法。 关键词：超声波；测距；FPGA实现 1超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20KHz以上。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。 2使用超声波和使用激光测距的比较：基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，（本人接触的ARM最大30M）如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1℃,声波速度增加0.6mPs。所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差。另外超声波在传输距离稍大时衰减很大，精度也随之降低。 3超声波发生/接收器：为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,常用的超声波发生器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应)而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压,再经放大输出,它的结构与发生器类似。发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在6—8CM否则过于靠近易产生干扰。（可采用MA40LIS和MA40LIR） 4超声测距原理：最常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是：使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。考虑到传感器的成本与安装的方便性，也可采用收发兼用型超声波探头，即实际距离d=s。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度 补偿问题。 5系统设计：