声速测量实验报告

精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 1 / 58 声速测量实验报告 俸永格 教学题目： 声速的测量 教学对象： 10 级电子信息班、 10 动医学班、 10 级农机班、 10级植保班。 授课地点：海南大学基础实验楼 2610室。 教学重点：让学生了解测量超声波在媒介中传播速度的实验设计思想和 实验方法。 教学难点：让学生熟练掌握双踪示波器、 测试仪、调使用并完成两正交信号相位差的多次测量。 一 实验目的： 加深对驻波及振动合成等理论知识的理解， 掌握用驻波法、相位法 测定超声波在媒介中的传播速度， 了解压电换能器的工作原理，进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示 波器观测物理参数的综合运用能力。 二 实验仪器： 试仪一台，同轴 电缆若干。 三 实验原理 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波传播速精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 2 / 58 度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。 驻波法测量声速基本原理 4 如图所示为两列 同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形，其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹 间距 X 的测量便可实现对波长的间接测量，结合对驻波谐振频率 f 的测量便可间接求算声波的传播速度 v。 v = f =2X v = 2X f 原理图示 1 相位法测量声速基本原理 请同学们自行完成！要求体现以下两个方面的内容！ 简谐振动正交合成的基本原理， 利用李萨如图形的相位差特点间接测量声速的基本原理。 四 实验内容与步骤 驻波法测 声速 实验连线图示 1 了解测试仪的基本结构，调节两个换能器的间距 5 初始化示波器面板获得扫描线。 按图示 1 正确连线，将示波器的扫描灵敏度与通道 1垂直灵敏度旋钮分 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 3 / 58 别调至适当档位，缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹位置 。 依次调节信号源的频率粗、细调旋钮，同时观察示波器显示波形幅值变 化情况，幅值最大时所对应的频率即为谐振频率 f，将f 数值记录于。 逆时针方向转动换能器平移鼓轮至两换能器端面距离约 5 厘米左右 ，确 定所选第一个波腹的位置并初始化数显读数标尺。 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹位置并记录相应的数显标尺读数于。 重复步骤 7 连续记录 14个波腹的位置读数并记录于。 实时记录环境温度与 。 相位法测声速 保持驻波法连线不变，另用一根电缆线连接信号源的发射波形接口与示波器通道 2 输入端口。 调节示波器扫描旋钮至正交档，逆时针方向转动换能器平移鼓轮观察不同相位差时的李萨如图形。当两换能器端面距离约 5 厘米时停止转动。 缓慢顺时 针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 4 / 58 一正斜线时停止转动换能器平移鼓轮并初始化数显读数标尺。 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一反斜线时 停止转动换能器平移鼓轮并将此时的数显标尺读数记录于。 重复步骤 4 记录 14 个反斜线波形的位置读数并记录于。 实时记录环境温度与 出电压幅值 V。 结束实验归整仪器。 五 原始数据记录表 表一 驻波法测量声波传播速度记录表 表二 相位法测量声波传播速度记录表 六 注意事项 示波器辉度 调节应适度，不可调至最大！ 两换能器发射端面不可接触！ 转动换能器平移鼓轮不可过快！并注意避免回程差！ 七 实验数据处理与实验结果 1 原始数据见原始数据记录纸， 2 数据处理采用的具体方法：列表法与逐差法 3 数据处理与实验结果 输入频率： f? _36761 ?f? ,环境温度： t? C，电精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 5 / 58 压 15伏） 实验结果： V 实 ?V? 实测值与理论计算值之间的百分误差： ?m?s?1 实 ?V 理 ?100%? 八 问题讨论 用示波器观测交变信号波形的时候，如果波形快速移动不便于观测，其根本原因是什么？如何解决？ 用相位法测声速过程中，可分别采用正、负斜线法与正、负椭圆法，哪一种方法更简单合理？为什么？ 附件：实验项目安排表 2011声速测量实验预习报告 一、 实验原理 1 理论计算 理想气体中声波的传播速度为 v? 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 6 / 58 ?中，为比热容比，是气体的摩尔质量，是绝对温 度， / 在室温 t 下，干燥空气中的声速为 v?中， s， 。 但实际中空气并不是干燥的，所以修正的结果为 ?rp?t? ?1?v?1?0? 其中， r 为相对湿度， p?105 2 实验方法 f? 由于 v?，故只要测出频率和波长，就可以求出声速。 其中，声波频率由声源振动频率得到，再用相位法测得波长即可。波可以看成是相位的传 播。沿传播方向上的任意两点，只要他们的振动状态相同，即同相或者相位差为的整数倍， 这时两点间的距离应等于波长的整数倍，即 l ?n? 。 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 7 / 58 当在发射器的声波中沿传播方向移动接受器时，总可以找到一个位置，使得接受器接受到的电信号和发射器的激励电信号同相。继续移动接受器，知道接受的信号再一次和激励电信号同相的时候，移过的距离必然等于声波的波长。利用利萨如图形在两个电信号同相或反相时椭圆退化为友斜或左斜直线即可判断。 二、 实验步骤 1 连接电路。函数信号发生器 的输出与超声波发射器的输入 端及示波器的通道 1 相连；超声波接受器的输出端和示波器的通道 2 相连。函数信号发生器置于正弦波输出，频率置于 100出幅度调到峰值 10 2 用示波器观察加在声波发射器上的电信号和超声波接受器 输出的电信号。先将函数信号发生器的频率调节到40右，然后细调频率，使接受器输出信号最大，记下此频率，即超声波频率。实验过程中若有改变，记下最大最小值，最后取平均值。 3 用相位法测波长。利用利萨如图找出同相点，每遇到一个 同相 点就测一次接受器的位置 x，连续测 20 个，并用逐差法处理。得到波长的平均值。计算声速。 4 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 8 / 58 在测量开始和结束时，先后记录室温 及相对湿 度 查出平均室温对应的饱和蒸汽压。若温度不是整数值，则按线性内插法求出准确的饱和蒸汽压值。计算理论值，和实验值比较。 三、 数据处理 超声波的频率 f= 仪 ?10? ?2 ? ? 2?仪 ? 2 ? ? ? v?f?10?10? f 3 ?3 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 9 / 58 ?/s ?10?f?f? ? ? 2 2 ? ?v? v?/s 理论计算： t= 5% 8% r=% ?rp?t? ?1?/1?T0?p?v? ? ?100%? 物 理实验报告 姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室：指导教师： 一、 超声波声速的测量 二、 1、了解声速的测量原理 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 10 / 58 2、学习示波器的原理与使用 3、学习用逐差法处理数据 三、 1、 声速测定仪段 2、双踪示波器 3、 声速测定信号源 四、 频率 20机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于 20声波的传播速度就是声波的传 播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在 20 60此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。 图 1 纵向换能器的结构简图 压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向换能器、径向换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图 1 为纵向换能器的结构简图。 假设在无限声场中，仅有一个点声源 一个接收平面。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面，并且 只产生一次反射。 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 11 / 58 在上述假设条件下，发射波 1=从示 波器显示上会发现，当 据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间的距离均为 / 2。为了测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的改变 2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间的距离为 /2；2。超声换能器 来实现，而超声波的频 率又可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。 图 3 用李萨如图观察相位变化 在连续多次测量相隔半波长的 位置变化及声波频率 f 以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。 3. 相位法测量原理 由前述可知入射波 1 与反射波 2 叠加，形成波束 3 即 3 =t+ = 2 x /。如图5 所示。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长。 4. 时差法测量原理 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 12 / 58 连续波经脉冲调制后由发射换 能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过 t 时 间后，到达 L 距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出： 速度 V=距离 L/时间 t 图 4 发射波与接收波 通过测量二换能器发射接收平面之间距离 L 和时间 t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。 五、 电开机预热 15接通市电后，自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态。 2. 驻波法测量声速。 测量装置的连接： 图 5 驻波法、 相位法连线图 如图 5 所示，信号源面板上的发射端换能器接口，用于输出一定频率的功率信号，请接至测试架的发射换能器；信号源面板上的发射端的发射波形 接至双踪示波器的于观察发射波形；接收换能器的输出接至示波器的定压电陶瓷换能器的最佳工作点 只有当换能器 2的接收面保持平行时才精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 13 / 58 有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到换能器 谐振频率点处时，才能较好的进行声能与电能的相互转换，以得到较好的实验效果。 按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率，估计一下示波器的扫描时基 t/进行调节，使在示波器上获得稳定波形。 超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节发射强度旋钮，使声速测试仪信号源输出合适的电压，再调整信号频率，选择合适的示波器通道增益，观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处电压幅度最大，此频率即是压电换能器 录频率 变 2间的距离，适当选择位置，重新调整，再次测定工作频率，共测 5 次，取平均频率 f。 测量步 骤 将测试方法设置到连续波方式，合适选择相应得测试介质。完成前述、步骤后，观察示波器，找到接收波形的最大值。然后转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，记录下幅度为最大时的距离 离由数显尺或在机械刻度上读出，再向前或者向后移动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离 有：波长 i=2 多次测定用逐差法处理数据。 李萨如图法测量波长的步骤 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 14 / 58 将测试方法设置到连续波方式，合适选择相应的测试介质。完成前述、步骤后，将示波器打到“ 式，并选择合适的通道增益。转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记录下此时的距离 离由数显尺或机械刻度尺上读出，再向前或者向后移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，记录下此时的距离 有： 波长 i= 4. 干涉法 /相位法测量数据处理 已知波长 i 和频率 f i，则声速 i f i。 因声速还与介质温度有关，所以必要时请记下介质温度t。 5. 时差法测量声速步骤 图 6 时差法测量声速接线图 按图 6 所示进行接线。将测试方法设置到脉冲波方式，并选择相应的测试介质。将 调节接收增益，使显示的时间差值读数稳定，此时仪器内置的计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和信号源计时器显示的时间值 动 果计时器读数有跳字，则微调接收增益，使计时器读数连续准确变化。记录下这时的距离值和显示的时间值 声速。 六、 1严禁将液体滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 15 / 58 将液体滴到数显尺杆和数显表头上。 2使用时应避免声速 测试仪信号源的功率输出端短路。 3声速测量仪上的手轮只能向一个方向旋转，不然要出现空回误差。 七、 1测量共振频率 驻波共振法 t= 20 C 3 相位比较法 t=20C 4 时差法 t=20C 八、 t=20C 时声速的理论值： ? 驻波共振法数据处理如下： ?.?L? 25 ? 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 16 / 58 ?.? ? 25 波长： ?2?L? 声速： f?10 百分误差： 2） 相位比较法数据处理如下： ?3 ?103m/s?/s V? ?100?100? ?.?L? 25 ?.? 25 波长： ?2?L? 声速： f?10 百分误差： ?3 ?103m/s?/s V? ?100?100? 3） 时差法数据处理如下： ?.? 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 17 / 58 1 ?.? ?.?/s ?.? V?100?100? 九、 1） 驻波共振法： ? ?2） 相位比较法： ? ?A?2 ?3） 时差法： ? A?3 十、 1了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。 2学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速 度。 3通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 18 / 58 在波动过程中波速 V、波长 ?和频率 f 之间存在着下列关系： V?f?，实验中可通过测定声波的波长 ?和频率 f 来求得声速 V。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 声波传播的距离 L 与传播的时间 t 存在下列关系：L?V?t ，只要测出 L 和 t 就可测出声波传播的速度 V，这就是时差法测量声速的原理。 1共振干涉法测量声速的原理： 当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。对于波束 1：时 ，叠加后的波形成波束 3：A?X/?t，这里 ?为声波的角频率， t 为经过的时间， X 为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按 ?束 2： ? t?2?X/?，当它们相交会 ?X/?变化。如图所示。 压电陶瓷换能器 为声波发射器，它由信号 源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器 作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在 示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。声源出的声波，经介质传播到 接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面与发射面严格平行，入射波精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 19 / 58 即在接收面上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器 动 从示波器显示上会发现当 某些位置时振幅有最小值或最大值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最 大值的位置之间的距离均为 ?/2。为测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓 图 共振干涉法原理图 慢的改变 2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间 。超声换能器 1之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声波测试仪信号源频率显示窗口直接读出。在连续多次测量相隔半波长的 们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。 2相位法测量原理 声源 出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是 随时间而变化的。但它和声源的振动相位差 ?不随时间变化。 设声源方程为： 01?t 距声源 X 处 02?Y 两处振动的相位差： ? 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 20 / 58 X Y 当把 2的信号分别输入到示波器 X 轴和 Y 轴，那么当 X?n?即 ?2n? 时，合振动为一斜率为正的直线，当 X?2n?1?/2，即 ?2n?1?时，合振动 为一斜率为负的直线，当 X 为其它值时，合成振动为椭圆。 图 接收信号与发射信号形成李萨如图 3时 差法测量原理 以上二种方法测声速，是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波的相位差，原理是正确的，但存在读数误差。较精确测量声速的方法是采用声波时差法，时差法在工程中得到了广泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过时间 t 后，到达距离为 L 处的接收换能器，那么可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度，速度为 V?L/t 。 图 相位法原理图 实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的 声速测定专用信号源各一台 ，其外形结精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 21 / 58 构见图 。 图 组合仪主要由储液槽、传动机构、数显标尺、两副压电换能器等组成。储液槽中的压电换能器供测量液体声速用，另一副换能器供测量空气及固体声速用。作为发射超声波用的换能器 定在储液槽的左边，另一只接收超声波用的接收换能器 在可移动滑块上。上下两只换能器的相对位移通过传动机构同步行进，并由数显表头显示位移的距离。 能器 接收到的超声波 声压转换成电压信号，用示波器观察；时差法测量时则还要接到专用信号源进行时间测量，测得的时间值具有保持功能。 实验时用户需自备示波器一台； 300标卡尺一把，用于测量固体棒的长度。 图 共振干涉法、相位法、时差法测量连线图 1. 声速测量系统的连接 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 22 / 58 声速测量时， 用信号源、 试仪、示波器之间，连接方法见图。 2. 谐振频率的调节 根据测量要求初步调节好示波器。将专用信号源输出的正弦信号频率调节到换能器的谐振频率，以使换能器发射出较 强的超声波，能较好地进行声能与电能的相互转换，以得到较好的实验效果，方法如下： 将专用信号源的“发射波形”端接至示波器，调节示波器，能清楚地观察到同步的正弦波信号； 专用信号源的上“发射强度”旋钮，使其输出电压在20 左右，然后将换能器的接收信号接至示波器，调整信号频率 ?255观察接收波的电压幅度变化，在某一频率点处电压幅度最大，此频率即是压电换能器 录此频率 改变 距离，使示波器的正弦波振幅最大，再次调节正弦信号频率，直至 示波器显示的正弦波振幅达到最大值。共测 5 次取平均频率 f。 3. 共振干涉法、相位法、时差法测量声速的步骤 共振干涉法测量波长 将测试方法设置到连续方式。按前面实验内容二的方法，确定最佳工作频率。观察示波器，找到接收波形的最大值，记录幅度为最大时的距离，由数显尺上直接读出或在机械刻度上读出；记下 0 。然后，向着同方向转动距精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 23 / 58 离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，逐个记下振幅最大的 ?0个点，单次测量的波长 ?i?2?i?1 。用逐差法处理这十个数据，即可得到波 长 ? 。 相位比较法测量波长 将测试方法设置到连续波方式。确定最佳工作频率，单踪示波器接收波接到“ Y”，发射波接到“ 触发端；双踪示波器接收波接到“ 发射波接到“ 打到“ X?Y” 显示方式，适当调节示波器，出现李萨如图形。转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记下 位置 向前或者向后移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器 振动波形发生了 2?相移。依次记下示波器屏上斜率负、正变化的直线出现的对应位置 ?次波长 ?i?2?i?1 。多次测定用逐差法处理数据，即可得到波长 ?。 3）时差法测量声速 空气介质 测量空气声速时 ,将专用信号源上“声速传播介质”置于“空气”位置 ,发射换能器用紧定螺钉固定，然后将话筒插头插入接线盒中的插座中。 将测试方法设置到脉冲波方式。将 2 之间的距离调到一定距离。开启数显表头电源，并置 0，再调节接收增益，使示波器上显示的接收波信号幅度在 300400右，精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 24 / 58 以使计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值 、 ；移动 录下这时的距离值和显示的时间值 声速 。记录介质温度 t 。 需要说明的是，由于声波的衰减，移动换能器使测量距离变大时，如果测量时间值出现跳变，则应顺时针方向微调“接收放大”旋钮，以补偿信号的衰减；反之测量距离变小时，如果测量时间值出现跳变，则应逆时针方向微调“接收放大”旋钮，以使计时器能正确计时。 液体介质 当使用液体为介质测试声速时，先小心将金属测试架从储液槽中取出，取出时应用手指稍稍抵住储液槽，再向上取出金属测试架。然后向储液槽注入液体，直至液面线处 ，但不要超过液面线。注意：在注入液体时，不能将液体淋在数显表头上，然后将金属测试架装回储液槽。 专用信号源上“声速传播介质”置于“液体”位置，换能器的连接线接至测试架上的“液体”专用插座上，即可进行测试，步骤与 1 相同。记录介质温度 t 。 固体介质： 测量非金属、金属固体介质时，可按以下步骤进行实验： 试方法”置于“脉冲波”位置，“声速传播介质”按测试材质的不同，置于“非金属”或“金属”位置。 将待测的测试棒的一端面小 螺柱旋入接收换能器中心螺孔内，再将另一端精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 25 / 58 面的小螺柱旋入能旋转的发射换能器上，使固体棒的两端面与两换能器的平面可靠、紧密接触，注意：旋紧时，应用力均匀，不要用力过猛，以免损坏螺纹，拧紧程度要求两只换能器端面与被测棒两端紧密接触即可。调换测试棒时，应先拔出发射换能器尾部的连接插头，然后旋出发射换能器的一端，再旋出接收换能器的一端。 图接线，即可开始测量。 位为 ? s。测试棒的长度可用游标卡尺测量得到并记录。 方法调换第二长度及第三长度被测棒，重新测量并记录数据。 据不同被测棒的长度差和测得的时间差计算出被测棒的声速。 驻波法 李萨如图法 2以空气介质为例，计算出共振干涉法和相位法测得的波长平均值 ?，及其标准偏差 S?，同时考虑仪器的示值读数误差为。经计算可得波长精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 26 / 58 的测量结果 ?。 干涉法 空气介质： ?=2* /25= S? 考虑仪器读数误 差和标准偏差， ? 相位法 空气介质： ?=+/25= S? 考虑仪器读数误差和标准偏差， ? 3按理论值公式 0? T ，算出理论值 中 0?时的声速， T?t?K。 t=15 4计算出通过二种方法测量的 V 以及 ?V 值，其中 ?V?V? 将实验结果与理论值比较，计算百分比误差。分析误差产生的原因。可写为在室温 为 ?共振干涉法测得超声波在空气中的传播速度为 ： V=?/s ?= ?V 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 27 / 58 =% V =% =?/s ?= 5列表记录用时差法测量非金属棒及金属棒的实验数据。 三根相同材质，但不同长度待测棒的长度 金属 非金属 1 声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？ 从波源上说，干涉法、相位法用的是连续波，时差法用的是脉冲波。从测量仪器上说，干涉法、相位法要用示波器、刻尺和频率计，时差法用的是计时仪器和刻尺。从原理上说，干涉法、相位法原理 相同，均是发射波和返回波形成驻波，测量波腹到波腹之间的距离或驻波相位差为 2种方法的优点是通过示波器观测波形直观，又可以讲解驻波和李萨如图形，涉及知识点较多，一般学校都会选择这两种方法做测量，缺点是波腹和相位差所对应的示波器波形判断人为因素太大，测量出来的数据偏差较大；时差法所用为脉冲波，可人为改变接收器到发射器的距离，测量脉冲发射到接收的时间差，用距离改变量除以时间改变量即精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 28 / 58 可，优点是人为因素少，测量精度高，缺点涉及的内容少，操作太简单。 2 为什么要在谐振频率条件下进行声速测 量？如何调节和判断测量系统是否处于谐振状 态？ 谐振时超声波的发射和接收效率均达到最高；保持其他条件不变，仅仅改变信号发生器的输出频率，观察接收到得超声波信号幅度，出现极大值时对应的频率就是谐振频率。 3 为什么发射换能器的发射面与接收换能器的接收面要保持互相平行？ 发射换能器发送的能量是垂直发射面传播的，接受换能器接受的能量是垂直接受面接受的。如果不让两面的中心垂线对正，你的传送的能量就有损失。 4声音在不同介质中传播有何区别？声速为什么会不同？ 声音其 实就是一种振动，在不同介质中传播其实就是不同介质在进行这种振动。传播时声波频率不会变，变的是波长，也就是说声波在不同介质中传播有不同的波长。而声速是波长和频率的乘积，所以会有不同的声速。 实验报告 声速的测量 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 29 / 58 位比较法以及时差法测量介质中的声速 由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行 声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测 出声速。 超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常 见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。本实验采用的是压电陶瓷制 成的换能器，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。 声波的传播速度与其频率和波长的关系为： v?f 由式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。同样，传播速度亦可用 v?L/t 表 示，若测得声波传播所经过的距离 L 和传播时间 t，也可获得声速。 1. 共振干涉法 实验装置如图 1所示，图中 2为压电晶体换能器， 被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波； 波传至它的接收面上时，再被反射。当 2的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距 品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 30 / 58 即 L=n， n=0， 1， 2， 2 时， 1处差 2此形成共振。 因为接收器 表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成共振时， 接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值。 图中各极大之间的距离均为 /2，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应的接收器 位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式求得声速。 2. 相位比较法 波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍。利用这个原理，可以精确的测量波长。实验装置如图1 所示，沿波的传播方向移动接收器 收到的信号再 次与发射器的位相相同时，一国的距离等于与声波的波长。 同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号，它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信号的位相差有关，精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 31 / 58 当两信号之间的位相差为 0 或时，椭圆变成倾斜的直线。 3. 时差法 用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。 由信号源提供一个脉冲信号 经 出一个脉冲波，经过一段距离的传播后，该脉冲信号被 收，再将该信号返回信号源，经信号源内部线路分析、比较处 理后输出脉冲信号在 间的传播时间 t，传播距离 L 可以从游标卡尺上读出，采用公式即可计算出声速。 4. 逐差法处理数据 在本实验中，若用游标卡尺测出 2n 个极大值的位置，并依次算出每经过 n 个 /2的距离为 ?= ? ?+? ? /? ?=1 ? 。如测不到 20 个极大值，则可少测几个，用这样就很容易计算出 类似方法计算即可。 实验时室温为 16，空气中声速的理论值为 ? 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 32 / 58 ?=?0 1+ =?/? 1共振干涉法 频率 f= #n=10; f=; 2*n=, , , , , , , , , , , , , , , , , , ; ; *2/n/n; ; 此程序运行结果为： v= m/s; 2相位比较法 频率 f= 使用逐差法进行数据处理，处理过程由 C+程序完成，程序如下 #n=5; 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 33 / 58 f=; 2*n=, , , , , , , , , ; ; ; ; 此程序运行结果为： v= m/s 3时差法测量空气中声速 计算机作图如下： 由于第二组数据，存在较大误差，因此将其去掉。 计算机计算得 v = m/s 4时差法测量液体中声速 计算机作图如下： 计算机计算得 v = m/s 1 关于误差 其实做这个实验需要极其精细的操作。为了得到更精确的结果， 不仅要每个 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 34 / 58 人时刻集中精力观察仪器，操作仪器，而且需要两个人的默契配合。当然，还是有一些最基本的需要注意的地方，如操作距离旋钮时，旋转最好不要太快，接近读数点时要放慢速度，最好不要逆向旋转旋钮；示波器的图像最好调节到合适的大小位置，以便观察和减小误差。观察李萨如图像时应选取水平或垂直线段中的一者为标准，否则无法判断移动的是波长还是半波长。此时应将图像尽量放大，因为观察重合时图像较小会导致误差很大。 当然最终测得的结果还是有一定的误差，但误差已经很小了。观察测得得空气中声速发现几种测量方法的测量结果都偏 大，一个重要的原因就是空气中含有水蒸汽及其它杂质，声音在这些物质中的传播速度都要比在空气中的传播速度大，所以最后的测量结果都偏大。而使用相位法测得的结果与真实值最接近，因为这个方法观察图像时，是在图像变化到重合时读数，判断图像重合成直线是相对容易的，所以误差会较小。 1、为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测定？ 答：因为在谐振频率下，反射面之间的声压达极大值。这样从示波器上观察到的 电压信号幅值为最大，从而更利于观察。 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 35 / 58 2、要让声波在两个换能器之间产生共振必须满 足那些条件？ 答： 1、两个换能器的发射面与接受面互相平行。 2、两个换能器间的距离为半波长的整数倍。 3、试举出三个超声波应用的例子，他们都是利用了超声波的那些特性？ 答：比如超声波定位系统，超声波探测，超声波洗牙。 他们利用了超声波的波长短，易于定向发射，易被反射等特性。 4、在时差法测量中，为何共振或接受增益过大会影响声速仪对接受点的判断？ 答：因为当共振或接受增益过大时，接受器将提前接收到信号，这样测得的时间 将偏小，导致最后计算出的声速偏大。 1. 我想这个实验测声速的方法可以有更广阔的用处 可以测得一些以波形态传播的物质的速度 就可测得光速 . 对于第三种方法 ,可以用来测量光速 可以记录光走充分大个来回的时间 ,让发射端和接收端记录光走的来回数 ,然后用时差法算得光速 . 超声波测量声速 实验报告 学院：生命学院班级：生基硕姓名：廖崇兵学号： 精品文档 2016 全新精品资料 全程指导写作 独家原创 36 / 58 大学物理仿真实验 01 实验日期： 2011 年 6 月 3 日 9 日 交报告日期： 2011