相位比较法原理及应用简介

试验装置如图10-3所示，用钛酸钡或锆钛酸铅等制成的压电陶瓷片（亦称为压电换能器）粘接在阶梯形的变幅杆S₁上，并与晶体管激发电路相连接组成发射器（其频率为20～100kHz），因变幅杆S₁的直径较大，当其振动时在空气中激发出超声波，在离变幅杆端面S₁稍远处的声波可看成是平面波。接收器也是由钛酸钡或锆钛酸铅制成的圆片S₂并与晶体管选频放大器、直流电源等相连接所组成。激发电路的信号输出端与双踪示波器的Y₁输入端相连接，接收器的信号输出端与示波器的Y₂输入端相连接。当S₂在支架上移动时，我们可以在示波器的荧光屏上看到两条曲线，一条对应于激发电路输入到Y₁的信号，而另一条对应于接收器接收到并经Y₂输入的信号。

声波是振动状态在弹性媒质中的传播（或说成相位的传播），所以沿波的传播方向上各质点的振动相位是不同的。沿波的传播方向上任意两点的振动状态相同（或说成相位差时Δφ=2nπ）时，这两点的距离L=nλ。

当S₂在某一位置，S₁与S₂间的距离等于波长的整数倍时，此时屏幕上看到的图形如图10-4a所示。这说明S₂接收的信号与激发电路（即声源）输出的信号同相。需要指出的是，用示波器测定相位时，接收器端面S₂处的声波，因换能器振动的传递和放大电路的相移，实际上与声源并不同相，而是有一个相位偏移，但对波长的测定并无影响。此时S₂的位置可在标尺中读出，记为x₁。S₂再远离S_l移动图形保持不变，当S₂远离S₁的距离为λ/4时，相位差也基本没有改变，说明S₂接收到的信号保持与图10-4a所示的相似相位。当S₂由图10-4a位置移动的距离将近λ/2时S₂接收到的信号产生迅速改变。移动距离=λ/2时的图形如图10-4b所示，与图10-4a反相，将此时S₂的位置记为x₂。S₂继续远离S₁图形不变，其间S₂远离S₁为3λ/2时，其相位差没有改变，仍保持与图10-4a反相，直到远离S₁接近λ时，图形迅速改变成与图10-4a同相的图形，如图10-4c所示，将此时S₂的位置记为x₃。这样，依次记录反相、正相的位置并填写入表10-2中，计算出声波长。

图10-4 相位变化示意图

a）、c）同相 b）反相(www.xing528.com)

表10-2 比较相位法试验数据 （单位：mm）

试验中，产生相位急剧变化的范围约为λ/16～λ/8，由此证实了驻波的特点。在驻波的相邻两个波节间的所有质点具有相同的相位，而在一个波节两侧的两个点，具有相反的相位。

利用逐差法可以算出待测波的波长为8.219mm，频率为43.1kHz，从而得待测声速为354.2m/s，与当天气温18℃的理论值（342.2m/s）相比误差为3%。