實驗名稱：超聲波在亞波長波導管中傳播的實驗研究

實驗原理：前期理論研究預測聲波在亞波長波導管內以規則平面波進行傳播，且傳輸損耗較小，針對波導管內聲波的傳播特性，本實驗方法采用渡越時間(Time of fight)測量方法來展開實驗，實驗方案及測試原理如下圖所示。

圖a：測量亞波長波導管中聲速的裝置

亞波長波導管實驗系統中1為信號發生器在通道1產生猝發音驅動信號，脈沖個數小于2個，控制較低的重頻頻率，以保證各脈沖之間不相互干擾。通道2設置相同的信號與2示波器相連，作為觸發信號。3為射頻功率放大器（ATA-8035），將驅動信號進行放大，并控制驅動幅值至設定值，4為阻抗匹配器將驅動信號有效施加于超聲換能器，減小反向功率，降低系統功率損耗及反向功率造成的系統發熱和損傷。超聲換能器11將電信號轉換為聲信號，通過固液耦合器7將聲波輸送至波導管的輸入端在鄰近輸入端有聲波導管6的支管，8水聽器在管口處2mm進行測量，同型號10水聽器在另一個管口進行測量，聲波信號在示波器中進行對比得到時間差t，其精度能達到微秒級，并測量兩管口之間的距離L，即得到聲速v=L/t。5為固定板用于固定整個測量聲波產生、傳輸、接收部分。12、9、13為水箱用于儲存管內介質，并把超聲波的產生與超聲波的接收分隔開來，使之互不干擾。

測試設備：信號發生器、ATA-8035射頻功率放大器、示波器、水聽器、超聲換能器

實驗過程：本實驗超聲波的產生部分由信號發生器和壓電式換能器組成，信號發生器產生激勵信號，壓電式換能接收到激勵信號后，由逆壓電效應產生脈沖聲波，脈沖信號的循環數設置為2，避免相互干擾。將壓電換能器固定在水槽底部并裝入純水，超聲波產生與傳輸部分并不直接觸碰，由管內液體進行連接，其亞波長波導管前端有漏斗形狀的部分為聲波耦合裝置，其目的是將壓電換能器產生的聲波導入到細細的管子中去，因為我們的實方法為時差法，故亞波長波導管有兩個支管，可通過分別對兩個支管聲波進行檢測，并獲得它門之間的延時以對聲速進行測量，最后通過水聽器來接收信號。

圖b：不同材料的聲速測量結果

圖c：不同材料下聲速隨頻率變化的點線圖

實驗結果：將圖b不同材料的聲速測量結果畫成點線圖后便于觀察，如圖c所示，結合圖表我們觀察我們發現，材料為鋼的亞波長波導管中管壁材料的聲速接近于其材料本身的縱振動速度5000m/s，管內介質的聲速也接近于管中純水的聲速1480m/s，說明當亞波長波導管采用鋼作為管壁材料時，在亞波長尺度下，管壁與管內介質中的聲波并沒發生固液耦合；材料為黃銅的波導管中測量到的管壁中聲速低于其材料本身的聲速，材料為有機玻璃的波導管中測量到的管壁中聲速高于其材料本身的聲速，且由于未能測量到這兩種材料的波導管管中介質的聲速，故無法進一步判斷耦合的情況。

當亞波長波導管的管壁材料為石英玻璃時，測量到的管壁聲速高于其本身材料中的縱振動聲速，測量到的管內介質的聲速低于管中純水本身的聲速，故在亞波長尺度下，材料為石英玻璃的亞波長波導管發生了固液耦合。

ATA-8035射頻功率放大器簡介

ATA-8035是一款射頻功率放大器。其P1dB輸出功率250W，飽和輸出功率500W。增益數控可調，一鍵保存設置，提供了方便簡潔的操作選擇，可與主流的信號發生器配套使用，實現射頻信號的放大。寬范圍供電電源，可兼容全球不同地區的電源標準。

工作模式：ClassA

工作頻率：100kHz~3MHz

P1dB輸出功率：250W

飽和輸出功率：500W

功率增益：51dB

本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。公司致力于功率放大器、功率信號源、計量校準源等產品為核心的相關行業測試解決方案的研究，為用戶提供具有競爭力的測試方案，Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。