專利名稱：采用聲懸浮技術(shù)測量聲速的實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種測量聲速的實驗裝置。特別是一種采用聲懸浮技術(shù)測量聲速的實驗裝置，屬于物理實驗及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于聲波特性的測量(如頻率，波速，相位等)和現(xiàn)象觀察(如駐波等)是聲學(xué)應(yīng)用以及物理實驗的一個重要內(nèi)容。特別是聲波波速的測量，在聲波定位，探傷，測距等應(yīng)用中具有重要的意義。目前，物理實驗中所采用的測量裝置均是采用超聲波信號發(fā)生器和換能器相連，使其發(fā)出超聲波信號，在與換能器軸線的對應(yīng)處放置另一換能器，形成共振腔并將其信號接收，傳送到示波器進(jìn)行觀察。通過兩個換能器距離的改變(腔長的改變)，使換能器接受信號(振幅或相位)發(fā)生變化，最終計算出波速。由于這類儀器需要兩個換能器，且好的換能器價錢較高，使儀器成本增加。更重要的是作為一個物理實驗儀器，根本觀察不到駐波現(xiàn)象，學(xué)生不能加強(qiáng)對波動現(xiàn)象的認(rèn)識。
聲懸浮技術(shù)是用聲壓差與重力相抵將物體懸浮在空氣中的技術(shù)。在1992年前，我國只有中科院聲學(xué)研究所做過相關(guān)的理論研究。直到1996年經(jīng)過設(shè)計，單軸式的實驗裝置才制作出來。但懸浮物只能為軟木等輕介質(zhì)。隨著研究的不斷深入，實驗裝置的改進(jìn)，西北工業(yè)大學(xué)的魏炳波等人用該裝置成功懸浮起密度達(dá)18.9g/cm3的金屬鎢餅。在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature》的新聞與評論專欄上，德國著名物理學(xué)家Brandt以“懸在聲中”為題，對聲懸浮方面的成果進(jìn)行了專題評述。2002年8月，美國著名空間材料科學(xué)家又在《Science》(網(wǎng)絡(luò)版)上再次評論了課題組在聲懸浮研究方面的新進(jìn)展。
但由于任何懸浮樣品的大小都只能被限制在所用聲波波長的一半以內(nèi)。因此，到目前聲懸浮技術(shù)的應(yīng)用主要在制備很高純度的材料方面。其他方面的應(yīng)用很少見，目前也沒有采用聲懸浮技術(shù)測量聲速的實驗裝置

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)上的不足和缺陷，本實用新型設(shè)計一種用聲懸浮技術(shù)測量聲速的裝置。通過調(diào)節(jié)腔體的長度，使腔體的長度L為波長一半的整數(shù)倍，這樣聲波和腔體達(dá)到共振，使聲波的振幅為極大，以使被懸浮物體兩端的聲壓達(dá)到一系列的極大值，在和重力達(dá)到平衡后，物體懸浮在空氣中。在實驗中，只要觀察到這種現(xiàn)象并記錄下這一系列腔體的長度，即可用公式v＝λ*f(λ為波長，f為聲波頻率)可得到聲速v。此裝置的另一大優(yōu)點(diǎn)是可看到聲懸浮現(xiàn)象并觀察到波節(jié)，波幅的變化。
本實用新型是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的本實用新型實驗裝置包括超聲波信號發(fā)生器、換能器、反射體、儀器支架、標(biāo)尺、位移調(diào)節(jié)螺桿、橫梁。
儀器支架是一由金屬或塑料制成的矩形框架。標(biāo)尺和位移調(diào)節(jié)螺桿固定在儀器支架上。橫梁安置在儀器支架的上部，其一端與標(biāo)尺滑動連接，另一端與位移調(diào)節(jié)螺桿螺旋連接。換能器安裝在橫梁的當(dāng)中。反射體安裝在儀器支架的底部，換能器的軸線與反射體的軸線處于同一垂線上。超聲波信號發(fā)生器和儀器支架均置在實驗臺上。
實驗時先將超聲波信號發(fā)生器輸出端與換能器相聯(lián)，調(diào)節(jié)超聲波信號發(fā)生器的輸出頻率與換能器的固有頻率一致，以形成共振(串連在換能器上的一燈泡發(fā)亮)，記錄此時的頻率。另將一被懸物體(塑料片、紙片或者金屬片)放置在反射體上，這時轉(zhuǎn)動位移調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)反射體與換能器間的距離L(腔體的長度)，當(dāng)出現(xiàn)聲懸浮現(xiàn)象，被懸物體浮起后，還應(yīng)反復(fù)微調(diào)超聲波信號發(fā)生器的輸出電壓和反射體與換能器間的距離L，以便懸浮物在盡可能小的波源強(qiáng)度下懸浮起來。此時記錄下腔體的長度L。當(dāng)再次改變腔體長度時，被懸物體落下又浮起，同時再次反復(fù)微調(diào)超聲波信號發(fā)生器的輸出電壓和反射體與換能器間的距離L，使被懸物體仍在盡可能小的波源強(qiáng)度下懸浮起來，再次記錄腔體的長度L。兩次浮起時腔體長度之差為半波長。當(dāng)已知頻率和波長后，可計算聲速。
聲速測量還可采用下列步驟進(jìn)行當(dāng)物體浮起時，可估算半波長的的數(shù)值，用鑷子將另一些被懸物體放在被浮物體的上方約半波長處，此物體即可在第2點(diǎn)懸浮，依次直致?lián)Q能器附近，且依次用尺讀出懸浮點(diǎn)的位置。每兩懸浮物體間的距離亦為半波長。當(dāng)已知頻率和波長后，計算聲速。
本實用新型的有益效果本實用新型只用一個換能器，使原有實驗裝置更為簡單，制造成本底?？芍苯佑^察到聲壓差將物體懸浮起來的現(xiàn)象，以加深對聲懸浮技術(shù)的認(rèn)識，由于被懸物體是在聲壓的波節(jié)處，該實驗裝置可直接觀察到聲壓的駐波形態(tài)。為聲懸浮技術(shù)的推廣，打下一定的基礎(chǔ)。這在用以往的物理實驗儀器是沒法做到的。


圖1是本實用新型測量聲速的實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實驗裝置包括超聲波信號發(fā)生器1、換能器2、反射體3、儀器支架4、標(biāo)尺5、位移調(diào)節(jié)螺桿6、橫梁7。
儀器支架4是一由金屬或塑料制成的矩形框架。標(biāo)尺5固定在儀器支架4的右端。位移調(diào)節(jié)螺桿6固定在儀器支架4的左端。橫梁7安置在儀器支架4的上部，其一端與標(biāo)尺5滑動連接，另一端與位移調(diào)節(jié)螺桿6螺旋連接。換能器2是由陶瓷壓電晶體制成，裝在橫梁7的當(dāng)中。反射體3安裝在儀器支架4的底部，反射體3是采用玻璃，鐵塊等剛性物質(zhì)制成，換能器2的軸線與反射體3的軸線處于同一垂線上。超聲波信號發(fā)生器1和儀器支架4均置在實驗臺上。
實驗時先將超聲波信號發(fā)生器1的輸出端與換能器2相聯(lián)，調(diào)節(jié)超聲波信號發(fā)生器1的輸出頻率與換能器2的固有頻率一致，以形成共振(串連在換能器上的一燈泡發(fā)亮)，記錄此時的頻率。另將一被懸物體(塑料片、紙片或者金屬片)放置在反射體3上，這時轉(zhuǎn)動位移調(diào)節(jié)螺桿6調(diào)節(jié)反射體3與換能器2間的距離L(腔體的長度)，當(dāng)出現(xiàn)聲懸浮現(xiàn)象，被懸物體浮起后，還應(yīng)反復(fù)微調(diào)超聲波信號發(fā)生器1的輸出電壓和反射體3與換能器2間的距離L，以便懸浮物在盡可能小的波源強(qiáng)度下懸浮起來.此時記錄下腔體的長度L。當(dāng)再次改變腔體長度時，被懸物體落下又浮起，同時再次反復(fù)微調(diào)超聲波信號發(fā)生器1的輸出電壓和反射體3與換能器2間的距離L，使被懸物體仍在盡可能小的波源強(qiáng)度下懸浮起來，再次記錄腔體的長度L。兩次浮起時腔體長度之差為半波長。當(dāng)已知頻率和波長后，可計算聲速。
聲速測量還可采用下列步驟進(jìn)行當(dāng)被懸物體浮起時，可估算半波長的數(shù)值，用鑷子將另一片被懸物體放在第一片被浮物體的上方約半波長處，此被懸物體即可在第2點(diǎn)懸浮，依次直致?lián)Q能器2附近，且依次用尺讀出懸浮點(diǎn)的位置。每兩被懸物體間的距離亦為半波長。當(dāng)已知頻率和波長后，計算聲速。
實驗中，可依次用紙片、塑料片或者金屬片作為懸浮物。由于被懸物體是浮在聲壓的波節(jié)處，該實驗裝置可直接觀察到聲壓的駐波形態(tài)。
權(quán)利要求1.一種采用聲懸浮技術(shù)測量聲速的實驗裝置，包括超聲波信號發(fā)生器(1)，換能器(2)、儀器支架(4)、標(biāo)尺(5)、位移調(diào)節(jié)螺桿(6)、橫梁(7)，其特征在于還包括反射體(3)，儀器支架(4)是一由金屬或塑料制成的矩形框架，標(biāo)尺(5)固定在儀器支架(4)的右端，位移調(diào)節(jié)螺桿(6)固定在儀器支架(4)的左端，橫梁(7)安置在儀器支架(4)的上部，其一端與標(biāo)尺(5)滑動連接，另一端與位移調(diào)節(jié)螺桿(6)螺旋連接，換能器(2)安裝在橫梁(7)的當(dāng)中，反射體(3)安裝在儀器支架(4)的底部，換能器(2)的軸線與反射體(3)的軸線處于同一垂線上，超聲波信號發(fā)生器(1)和儀器支架(4)均置在實驗臺上，超聲波信號發(fā)生器(1)的輸出端與換能器(2)相聯(lián)，在反射體(3)上放置紙片，或塑料片或金屬片的被懸浮物體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用聲懸浮技術(shù)測量聲速的實驗裝置，其特征是所述的換能器(2)采用陶瓷壓電晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用聲懸浮技術(shù)測量聲速的實驗裝置，其特征是所述的反射體(3)是采用玻璃，鐵塊或剛性物質(zhì)制成。
專利摘要采用聲懸浮技術(shù)測量聲速的實驗裝置，屬于物理實驗及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。包括超聲波信號發(fā)生器、換能器、反射體、儀器支架、標(biāo)尺、位移調(diào)節(jié)螺桿、橫梁。在反射體上放置被懸浮物。記錄超聲波信號發(fā)生器與換能器產(chǎn)生共振時的頻率，轉(zhuǎn)動位移調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)反射體與換能器間的距離L。當(dāng)L達(dá)到某一定值時，物體被浮起。在改變L時，若物體落下，再浮起，記錄兩次浮起時的L值之差，可計算得到聲速。本實用新型只用一個換能器，裝置簡單，制造成本低?？芍苯佑^察到聲懸浮現(xiàn)象和聲壓的駐波形態(tài)。為聲懸浮技術(shù)的推廣應(yīng)用，打下一定的基礎(chǔ)。這在用以往的物理實驗儀器是沒法做到的。
文檔編號G01H5/00GK2879144SQ20052004752
公開日2007年3月14日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者喬衛(wèi)平 申請人:上海交通大學(xué)