№ 41 (1107974), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Скорость ультразвуковых колебаний равна скорости звука.Использование ультразвука в данной задаче обусловлено в основном двумяпричинами. Во-первых, он не воспринимается человеческим ухом и этопозволяет располагать в одной лаборатории несколько установок; во-вторых,малая длина ультразвуковой волны (порядка нескольких мм) даетвозможность значительно уменьшить размеры экспериментальнойустановки.Колебания воздуха столь высокой частоты обычно получают спомощью пьезоэлектрических преобразователей.Если кристалл кварца, вырезанный определенным образом, зажать междудвумя металлическими пластинками (электродами), а затем подвергнуть егосжатию, то на электродах появляются разноименные электрические заряды.В результате между пластинками возникает разность потенциалов(электрическое напряжение).

При растяжении кристалла знаки зарядов наэлектродах изменяются на противоположные. Это явление носит названиепрямого пьезоэффекта. Обратным пьезоэффектом называется возникновениедеформации кристалла при создании электрического напряжения междуэлектродами. При перемене знака напряжения изменяется напротивоположный и знак деформации.В качестве источника и приемника звука в данной работеиспользуются так называемые акустические головки. Основной частью этихголовок является кристалл кварца с нанесенными на его поверхностьэлектродами. Головки рассчитаны на определенные узкие интервалы частот вданной установке около 60 кГц.От генератора переменного электрического напряжения на электродыкристалла кварца излучающей головки подается напряжение, изменяющеесяпо синусоидальному законуU1  t   U10 sin t(35)с частотой, на которую рассчитана головка.

Вследствие обратногопьезоэффекта возникают колебания кристалла, которые передаютсясвязанной с кристаллом мембране, образующей рабочую поверхность9головки. В результате колебаний мембраны вблизи рабочей поверхностиголовки возникает избыточное по отношению к атмосферному давлениевоздуха P, изменяющееся по законуP  t   P0 sin t(36)с частотой  , равной частоте подаваемого на кристалл напряжения.Изменения давления будут распространяться в воздухе по направлению,перпендикулярному рабочей поверхности головки в виде волны,описываемой формулойP  t   P0 sin t  kx  ,(37)где kx  (38)представляет собой начальную фазу давления в плоскости, находящейся нарасстоянии x от рабочей поверхности головки.Если приемную акустическую головку, рассчитанную на ту жечастоту колебаний, поместить так, чтобы ее рабочая поверхность находиласьна расстоянии x от рабочей поверхности излучающей головки, то изменениядавления вблизи рабочей поверхности приемной головки вызовут колебаниямембраны, что, в свою очередь, приведет к периодической деформациикристалла кварца.

В результате на электродах, нанесенных на поверхностикристалла, возникнет электрическое напряжение, изменяющееся по законуU 2  U 20 sin t    ,(39)где  - начальная фаза, совпадающая с начальной фазой (38) измененияизбыточного давления вблизи рабочей поверхности приемной головки.Для регистрации напряжений на электродах кристаллов кварцаизлучающей и приемной акустических головок используется осциллограф.Напряжение (35), подаваемое от генератора на излучающую головку,одновременно подается на горизонтально отклоняющие пластиныосциллографа (вход X ).

Это напряжение вызывает смещение луча на экранеосциллографавгоризонтальномнаправлении,пропорциональноенапряжению и происходящее по законуX  t   X 0 sin t .(40)Напряжение (39), возникающее на электродах кристалла кварцаприемной головки, подается на вертикально отклоняющие пластиныосциллографа (вход Y ) и вызывает смещение луча на экране осциллографа ввертикальном направлении, происходящее по закону10Y  t   Y0 sin t   (41)Таким образом, луч на экране осциллографа одновременноиспытывает два смещения, происходящие во взаимно перпендикулярныхнаправлениях и представляющие собой гармонические колебания, имеющиеодинаковую частоту  , но отличающиеся друг от друга по фазе навеличину  .

В результате сложения этих колебаний луч на экранеосциллографа описывает, вообще говоря, замкнутую кривую линию (попрохождении промежутка времени, равного периоду колебаний,координаты луча (40) и (41) приобретают прежние значения). Форматраектории луча зависит от разности фаз между колебаниями (40) и (41), Вчастности, при   2 nY  t   Y0 sin t  2 n   Y0 sin t ,(42)т.е. напряжения на электродах кристаллов кварца излучающей и приемнойакустических головок колеблются в одинаковой фазе. Разделив (42) на (40),найдем уравнение траектории луча на экранеYY0X.X0(43)Как известно, это уравнение прямой, проходящей из первогоквадранта декартовой системы координат в третий квадрант (рис.

2,а).При    2n  1 Y  t   Y0 sin t , т.е. напряжения на электродахкристаллов кварца излучающей и приемной головок колеблются впротивофазе. В этом случае из формул (40) и (41) следует уравнениеY Y0X.X0(44)1243абвгдРис. 2 Осциллограммы11представляющее собой уравнение прямой, проходящей из второго квадрантав четвертый квадрант (рис. 2,д). Можно показать, что во всех остальныхслучаях траектория луча на экране имеет форму эллипса (рис. 2, б, в, г).Связь между разностью фаз напряжений на акустических головках иих взаимным положением (координатами головок x1 и x2 ) устанавливаетсяформулой (6)( x1  x2 ).2  1 VСогласно этой формуле плавное изменение взаимного расположенияакустических головок приводит к такому же плавному изменению сдвига фаз2  1 , а вследствие этого и формы траектории луча на экране осциллографа.Переход движения луча от траектории, изображенной на рис.

2а, ктраектории, изображенной на рис.2д, сопровождается изменением фазыколебаний 2  1 в приемной акустической головке, равным  . Такимобразом, скорость распространения волны, согласно формуле (6), равнаV x  x   2  x1  x2   2x , 1 2где  - линейная частота работы генератора.Следовательно, измеряя опытным путем величинуможно вычислить скорость звуковой волны V .(45)x  x1  x2 ,ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИВ состав экспериментальной установки для измерения скорости звукав воздухе (рис. 3) входят:а) массивное основание с акустическими головками ;б) генератор сигналов низкой частоты Г3-118;в) осциллограф С1-76.Излучающая акустическая головка укреплена на неподвижномдержателе, приемная акустическая головка расположена на столике.Подвижная часть столика перемещается вместе с головкой при помощимикрометрического винта, с которым связан барабан с нанесенной на немшкалой, имеющей 50 делений.

При вращении винта барабан перемещаетсявдоль основной неподвижной шкалы, цена деления которой равна 1,0 мм.Над основной шкалой расположена вспомогательная шкала, расстояниемежду делениями которой также равны 1 мм. Вспомогательная шкаласмещена относительно основной на 0,5мм. Таким образом, расстояние междусоседними делениями основной и вспомогательной шкалы составляет 0,5 мм.Шаг микрометрического винта (поступательное перемещение края барабанапри повороте винта на 360о) равен 0,5 мм, т.е. равен расстоянию между12соседними делениями основной и вспомогательной шкал.

Следовательно,цена одного малого деления шкалы на барабане равна 0,01 мм.Генератор сигналов низкой частоты Г3-118является источником переменного напряжения, подаваемого на излучающуюГенераторГЗ - 118ОсциллографС1 - 76ПриемнаяголовкаИзлучающаяголовкаСтоликМикрометрическийвинтСкамьяРис. 3 Общий вид установкиакустическую головку и горизонтально отклоняющие пластины (вход Х)осциллографа С1-76.Рис. 4 Генератор ГЗ-11813Внешний вид передней панели генератора представлен на рис.

4, где1 - СЕТЬ - тумблер включения сети,2 - сетевой индикатор включения генератора,3 - “Hz” - переключатели установки частоты,4 - “dB” - переключатель с ступенчатого ослабления выходногонапряжения,5,6 - выходные гнезда генератора,7 - - ручка плавной установки выходного напряжения,8 - РАССТРОЙКА - ручка плавной установки частоты,9 - МНОЖИТЕЛЬ - переключатель диапазонов частот.Осциллограф С1-76 используется для измерения фазовыхсоотношений между напряжением, подаваемым на передающуюакустическую головку и напряжением, снимаемым с приемной головки.Рис. 5 Осциллограф С1-76Внешний вид передней панели осциллографа представлен на рис.

5,где1 - СЕТЬ - тумблер включения сети,2 - ГРУБО, ПЛАВНО - ручки перемещения изображения по горизонтали;3 - ручка фокусировки изображения,4 - ПОИСК ЛУЧА - кнопка для отыскания луча на экране,145 – ручка переключения состояния входа усилителя вертикальногоотклонения,“” - вход усилителя замкнут накоротко,“~” - на вход усилителя можно подавать переменное напряжение,“  ” - на вход усилителя можно подавать и постоянное, и переменноенапряжение,6 ¯ ручка плавной регулировки коэффициента усиления усилителявертикального отклонения,7 - входное гнездо усилителя вертикального отклонения (вход Y),8 – ручка плавной регулировки частоты развертки,9 – кнопки переключателя множителя длительности развертки,10 – ручка ступенчатого переключателя коэффициента отклонения,11 - ручка переключения состояния входа усилителя горизонтальногоотклонения (в положении “Х” на вход подается напряжение, подведенное кгнезду 14),12 – ручка ступенчатого изменения частоты развертки,13 - “Х” - входное гнездо усилителя горизонтального отклонения (вход Х),14 - переключатель входного делителя напряжения усилителягоризонтального отклонения (положение “1:10”, “1:1”),15 – ручка изменения уровня напряжения стабилизации,16 - “ ” - ручка перемещения изображения по вертикали,17 - кнопки “0,5”, “х1”, “х2”, переключателя множителя коэффициентаотклонения - “V\см”,18 - ручка регулировки яркости изображения.9.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы