超聲波是一種在彈性介質中傳播的機械波，由于其具有波長短、傳播方向性好等優點，在大學物理的聲速測量實驗中一般選擇超聲波段的聲波進行測量。超聲波由于其頻率高、功率大、穿透能力強、信息攜帶量大等特點，已廣泛應用于工業、農業、生物醫學以及科學研究等領域，如超聲波測距和定位、超聲波無損檢測、超聲波清洗等。描述聲波的物理量有波長、頻率、傳播速度、強度等，對這些量的測量是聲學技術的重要內容，聲速的測量在聲波測距、定位和無損檢測中有著廣泛的應用。
聲速測量實驗屬于大學物理實驗中的基礎性實驗，一般僅開設超聲波在空氣中傳播速度的測量，該部分原理簡單，導致實驗內容不飽滿，因此，根據儀器特點，可將聲速測量實驗改造為超聲波專題設計綜合實驗，增設一些設計性實驗內容。測量超聲波在不同介質中的傳播速度;研究同一介質中隨發射和接收端距離變化，接收端振幅的變化規律;計算不同介質中超聲波的損耗系數等。對于實驗數據的處理要求學生使用 Origin、Matlab 等軟件輔助完成，在學習物理內容的同時，熟練掌握常用數據處理軟件的使用，不斷挖掘學生學習的積極主動性，培養學生的創新意識和能力。
1 實驗原理
超聲波傳播速度常用的測量方法有共振干涉法、相位法、反射回波法等，本文采用共振干涉法研究不同介質中超聲波的傳播特性。共振干涉法又稱駐波法，實驗裝置如圖 1 所示，由示波器、聲速測量儀和信號發生器組成，S1和 S2為壓電陶瓷換能器，利用壓電效應實現聲壓和電壓之間的相互轉換。在信號發生器產生的交變電壓作用下，使發射端 S1產生機械振動，將激發的超聲波經介質傳播到接收端 S2，若接收面與發射面平行，聲波在接收面處就會被垂直反射，當接收端與發射端距離恰好等于半波長的整數倍時，兩波疊加后形成駐波，當信號發生器的激勵頻率等于壓電陶瓷換能器的固有頻率時，會產生駐波共振。通過示波器觀察接收端 S2的電信號波形，如圖 2 所示，發現交變電壓的峰峰值 Vpp隨著接收端 S2的移動在最大值和最小值之間循環變化，當接收端 S2與發射端S1距離x等于半波長的整數倍時，由示波器可觀察到交變電壓峰峰值Vpp的最大值，移動S2，經過半個波長，再次出現Vpp的最大值，此時相鄰兩波節\\(或波腹\\) 間的距離等于半個波長，即：【1】
式中，x 為接收端 S2與發射端 S1之間的距離，λ為超聲波波長，n = 1，2，3…。聲速 v、超聲波振動頻率 f 和波長 λ 之間的關系為:【2】
測得超聲波振動頻率 f 和波長 λ，可得超聲波在不同介質中的傳播速度 v?！緢D1-2】
2 超聲波在不同介質中的傳播速度比較
溫度為 20 ℃ 時，固定壓電陶瓷換能器 S1和S2的初始距離為 60 mm，信號發生器輸出的交變電壓 V0= 500 mV;調節信號發生器的頻率，當壓電陶瓷換能器 S2的信號振幅達到最大時，信號發生器的激勵頻率等于壓電陶瓷換能器的固有頻率，即 f = 38． 694 kHz。旋轉聲速測量儀的鼓輪改變壓電陶瓷換能器 S2的位置，可觀察到示波器接收的交變電壓Vpp由最大變到最小再變到最大，兩相鄰的 Vpp最大或最小之間壓電陶瓷換能器 S2移動的距離為是 0． 5λ，為方便記錄初始位置將數顯讀數器調零。不同介質中超聲波傳播距離 x 和示波器接收的交變電壓 Vpp的實驗數據見表 1?！颈?】
使用 Origin8． 0 軟件繪圖并直線擬合，實驗曲線如圖 3 所示，可得空氣、水和白油中超聲波傳播波長分別為 8． 79 mm、38． 18 mm、33． 64 mm，根據公式\\(2\\)可得三種介質中超聲波傳播速度分別為3 401 m / s、1 477． 3 m / s、1 301． 7 m / s，超聲波在液體中的傳播速度大于空氣。溫度為 20 ℃時，超聲波在空氣和水中的傳播速度的理論值分別為343． 5 m / s 和 1 482． 9 m / s，由共振干涉法計算的傳播速度的相對誤差分別為 0． 8%和 0． 3%，實驗結果誤差較小?！緢D3】
3 不同介質中超聲波傳播損耗系數計算
信號發生器輸出的交變電壓激發壓電陶瓷換能器 S1，由于逆壓電效應產生受迫振動，向介質發出一列定向的近似平面波，并傳播到壓電陶瓷換能器 S2，當交變電壓的頻率等于壓電陶瓷換能器的固有頻率時，二者發生共振，此時壓電陶瓷換能器 S2輸出信號達到最大。當兩個壓電陶瓷換能器端面互相平行時，發射波和反射波在 S1和 S2之間產生干涉，形成駐波，駐波的振幅可表示為:【3】
式中，Vpp為示波器接收的交變電壓峰峰值，V0為信號發生器輸出的交變電壓峰峰值，Ｒ 為壓電陶瓷換能器 S2的反射系數，x 為超聲波傳播的距離，α 為超聲波在介質中的損耗系數。對\\(3\\) 式兩邊取對數，可得:【4-5】
示波器接收的交變電壓峰峰值 Vpp隨傳播距離的變化曲線見圖 4，可發現隨傳播距離增大，交變電壓峰峰值Vpp逐漸變弱，超聲波在水中衰減幅度最大，相關實驗數據見表 1。不同介質中 y = lnVppV0和傳播距離 x 關系曲線見圖5，可得空氣、水和白油中的損耗系數 α 分別為 0． 013 81、0． 018 29、0． 012 33，水中超聲波的損耗系數最大?！緢D4.圖5.略】
4 結 論
在基礎性實驗“超聲波在空氣中傳播速度的測量”之外，開設了超聲波專題設計綜合實驗，分別測量了空氣、水和白油中超聲波傳播速度，分別為340． 1 m/s、1 477． 3 m/s、1 301． 7 m/s;研究了同一介質中隨發射和接收端距離變化，接收端振幅的變化規律，隨傳播距離增大，交變電壓峰峰值Vpp逐漸變弱，超聲波在水中衰減幅度最大;計算不同介質中超聲波的損耗系數，空氣、水和白油中的損耗系數分別為 0． 013 81、0． 018 29、0． 012 33，水中超聲波的損耗系數最大。超聲波專題設計綜合實驗不僅豐富了實驗內容，培養了學生勤于思考的科學精神，而且開拓了學生的視野，提高學生分析問題和解決問題的能力。
參考文獻:
［1］ 閃俊杰，杜振雷，李青． 超聲波在化學工業中的應用［J］． 河北工業科技，2009，26\\(2\\):127-130．
［2］ 陳洪杰，李志偉，陶小軍，等． 超聲波在納米材料制備中的應用［J］． 化學研究，2005，16\\(1\\):104-107．
［3］ 鄔建輝，張傳福，湛菁，等． 超聲波在粉體材料制備中的應用［J］． 有色金屬，2001，53\\(3\\):81-83．
［4］ 房曉勇． 聲學實驗及部分聲學量的測量［J］． 物理實驗，2001，22\\(1\\):8-10．
［5］ 王開圣，趙志敏，劉小廷． 聲速測量實驗原理討論［J］． 物理實驗，2010，30\\(3\\):25-28．
［6］ 秦平力，李端勇，張昱． 利用 Origin 7． 0 軟件處理超聲波聲速實驗數據［J］． 武漢工程大學學報，2009，31\\(9\\) :69-71．
［7］ 曾凡平，田 浩． MATLAB 模擬超聲波聲速測量實驗［J］． 高校實驗室工作研究，2009，99\\(1\\) :11-13．
［8］ 劉燕，周嵐，胡經國． 大學物理實驗教學改革的探索與實踐［J］． 實驗室研究與探索，2009，28\\(11\\):171-172．
［9］ 張銳波，沈劍峰，杜金潮． 大學物理實驗創新教學［J］． 實驗室研究與探索，2010，29\\(1\\):80-82．
