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南昌大学物理实验报告 课程名称： 大学物理实验 实验名称： 声速测量 学院： 化学学院 专业班级： 应化152班 学生姓名： 余富丁 学号： 5503215068 实验地点： B104 座位号： 28 实验时间： 第8周星期8下午4点开始 一、实验目的：1、学会测量超声波在空气中的传播速度的方法。2、理解驻波和振动合成理论。3、学会逐差法进行数据处理。4、了解压电换能器的功能和培养综合使用仪的能力。二、实验原理： 声速v、声波频率f和波长l之间的关系为v=fl 可见，只要测得声波的频率f和波长l，就可求得声速v。声波频率范围信号发生器产生超声波的频率，直接由信号发生器显示，所以只要测出声波波长l，即可确定声速，而测量波长常用的方法有驻波法和相位法。1、 超声波的发射与接受压电陶瓷换能器声速测定仪主要由两只相同的压电陶瓷换能器组成（图201中的s1和s2），它们分别用于超声波的发射和接受。压电陶瓷一般由一种多晶结构的压电材料（如钛酸钡、锆钛酸等）组成，具有压电效应。当它们受外力作用形变时，表面上会出现电荷，去掉外力后电荷消失，这就是压电效应。压电效应是可逆的，在两表面上加一电压时，雅典晶体发生形变，撤去电压后又恢复原状，此即逆压电效应。如果加上的电压是频率f超过20kHz的交流电，压电材料就会因逆压电效应产生频率也为f的周期性纵向收缩，从而压迫空气成为超生比的波源，图201中的s1换能器正是基于此原理而发射超声波。同样，压电材料也可利用压电效应，将声场中声压的变化，用来接受信号，图201中的s2换能器正是基于此原理将受收到的超声波信号转换成电压信号送入示波器显示。 虽然给电压陶瓷加以压力或电信号就会有压电效应或逆压电效应，但是能量的转换效率却与所加信号的频率有关。每个关于压电陶瓷换能器都有一个谐振频率f0，当外加正弦交变压力信号的频率等于f0时，换句话说，压电陶瓷换能器在谐振频率下工作时，作为接收器时灵敏度最高；作为发射器时辐射效率最高。所以，实验时应仔细调节信号发生器的工作频率，以使换能器谐振。2、 驻波法测波长如右图所示，实验时将信号发生器输出的正弦电压信号接到发射超声换能器上，超声发射换能器通过电声转换，将电压信号变为超声波，以超声波形式发射出去。接收换能器通过声电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观察。由声波传播理论可知，从发射换能器发出一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收换能器。如果接收面和发射面严格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波相互干涉形成驻波。此时，两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长的整数倍。在声驻波中，波腹处声压（空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强）最小，而波节处声压最大。当接收换能器的反射界面处为波节时，声压效应最大，经接收器转换成电信号后从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值，所以可从接收换能器端面声压的变化来判断超声波驻波是否形成。移动卡尺游标，改变两只换能器端面的距离，在一系列特定的距离上，媒质中将出现稳定的驻波共振现象，此时，两换能器间的距离等于半波长的整数倍，只要我们监测接收换能器输出电压幅度的变化，记录下相邻两次出现最大电压数值时（即接收器位于波节处）卡尺的读数（两读数之差的绝对值等于半波长），则根据公式：就可算出超声波在空气中的传播速度，其中超声波的频率可由信号发生器直接读得。3、 相位比较法实验接线如下图所示。波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。在声波传播方向上，所有质点的振动位相逐一落后，各点的振动位相又随时间变化。声波波源和接收点存在着位相差，而这位相差则可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦交变电压信号的位相关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观察。位相差和角频率、传播时间t之间有如下关系： 同时有，（式中T为周期）代入上式得： 当 （n=1，2，3，.）时，可得。由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即=2）。实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。当相位差改变时，相应距离的改变量即为半个波长。根据波长和频率即可求出波速。三、实验仪器：信号发生器、双踪示波器、声速测定仪。四、实验内容和步骤：1、驻波法测波长由分析可知，相邻两个声压波节或者相邻两个声压波腹之间的距离也均为/2。因此，当移动接收器端面到驻波的某一波节位置是，接收到的声压为波腹的位置，接收器转换器的电信号在示波器上也最强。继续移动接收器端面到另一个位置时，若示波器再次出现最强的信号，则两次接收器端面位置之间的距离就是相邻两个声压波腹之间的距离，即/2。2、相位法测波长当接收器和发射器的距离变化等于一个波长时，则发射信号与接收信号之间的相位差也正好变化一个周期，相同的李萨如就会出现。通过准确观测相位变化一个周期时接收器移动的距离，即可以得出相应的波长。 五、实验数据与处理：1、驻波法（共振干涉法） f =37.394kHz 项目/mm S2坐标/mmX1X2X3X4X5X6X7X8X9X1024.74128.11533.73638.33643.16147.22252.05257.65862.13366.776逐差（5x）X6-X1X7-X2X8-X3X9-X4X10-X522.48123.93723.92223.79723.615 l（l/2=x）8.99249.57489.56889.51889.4460l的平均值 9.42022、相位比较法 f=37.499kHz 项目/mm S2坐标/mmX1X2X3X4X5X6X7X8X9X1011.32121.31229.47338.75047.30856.98966.69576.47585.23294.974逐差（5x）X6-X1X7-X2X8-X3X9-X4X10-X545.66845.38347.00246.48247.666 l（l/2=x）18.26718.15318.80118.59319.066l的平均值 18.5761、 驻波法：波长，A类不确定度S入2=（1-）2+（2-）2+（3-）2+（4-）2+（5-）2/4=（8.9924-9.4202）2+（9.5748-9.4202）2+（9.5688-9.4202）2+（9.5188-9.4202）2+（9.4460-9.4202）2/4=0.0599，所以Sl=0.2446mm,又B类不确定度仪=0.001mm,所以合成不确定度Ul=0.2446mm。对于频率f，只有B类不确定度仪=0.001kHz；V=lf=9.420237.394=352.259，lnV=ln+lnf所以V的不确定度UV=（lnV/lnl）2Ul2+（lnv/lnf）2Uf20.5V=9.1466所以V=VUV=352.2599.1466，UV=9.14662、 相位比较法：波长，A类不确定度S入2=（1-）2+（2-）2+（3-）2+（4-）2+（5-）2/4=（18.267-18.576）2+（18.153-18.576）2+（18.801-18.576）2+（18.593-18.576）2+（19.066-18.576）2/4=0.1414，所以Sl=0.3760mm，又B类不确定度仪=0.001mm,所以合成不确定度Ul=0.3760mm。对于频率f，只有B类不确定度仪=0.001kHz；V=lf=18.57637.499=696.581，lnV=ln+lnf所以V的不确定度UV=（lnV/lnl）2Ul2+（lnv/lnf）2Uf20.5V=14.100所以V=VUV=696.5814.100，UV=14.100六、误差分析：1、测量时频率会不断变化，有时候指示灯会忽亮忽灭，所以会产生一定的误差。2、示波器上判断极大值的位置不准确，以及在发射换能器和接受换能器之间不是严格的驻波场。七、实验总结： 实验看起来很难，但是只