声速的测定实验报告

1 / 71声速的测定实验报告实验报告声速的测量【实验目的】1.学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速 2.学会用逐差法进行数据处理； 3.了解声速与介质参数的关系。【实验原理】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(探头)，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(1) 由(1)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(2)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 S1 和 S2 为压电晶体换能器，S1 作为声波源，它被低频信号发生器输出的交2 / 71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；S2 为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当 S1 和 S2 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 L 为半波长的整倍数，即L=n， n=0，1，2，(3)2时，S1 发出的声波与其反射声波的相位在 S1 处差 2n(n=1，2 )，因此形成共振。因为接收器 S2 的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(参见图 2)。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 S2 的位置，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(1)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3 / 71验装置如图 1 所示，沿波的传播方向移动接收器 S2，接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，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。图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看由信号源提供一个脉冲信号经 S1 发出一个脉冲波，经过一段距离的传播后，该脉冲信号被 S2 接收，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 S1、S2 之间的传播时间 t，传播距离 L 可以从游标卡尺上读出，采用公式(2)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4 / 71?= ? ?+? ? /? ?=1?。如测不到 20 个极大值，则可少测几个(一定是偶数)，用这样就很容易计算出 类似方法计算即可。【实验数据记录、实验结果计算】实验时室温为 16，空气中声速的理论值为?=?0 1+ =?/?1共振干涉法频率 f=图片已关闭显示，点此查看#include #includeusing namespace std;constint n=10;const double f=;const double L2*n=, , , , , , , , , , , , , , , , , ;double LMD=0;int main() for (inti=0;i 此程序运行结果为：v= m/s;5 / 712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，程序如下图片已关闭显示，点此查看#includeusing namespace std;constint n=5;const double f=;const double L2*n=, , , , , , , , , ; double LMD=0;int main() for (inti=0;i 此程序运行结果为：v= m/s3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。 计算机计算得图片已关闭显示，点此查看v = m/s图片已关闭显示，点此查看4时差法测量液体中声速计算机作图如下：6 / 71计算机计算得 v = m/s【分析讨论】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，图片已关闭显示，点此查看不仅要每个图片已关闭显示，点此查看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7 / 71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。【思考题】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。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。【个人想法】8 / 711. 我想这个实验测声速的方法可以有更广阔的用处.对于前两种方法,可以测得一些以波形态传播的物质的速度.如果仪器可以极其精密,就可测得光速. 对于第三种方法,可以用来测量光速.在发射端接收端都安装平面镜,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.大学物理实验课教案俸永格教学题目： 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、SV5/7测试仪、SV8 信号源的协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，9 / 71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：GW-680 双踪示波器一台，SV8 信号发生器一台,SV7 测试仪一台，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，10 / 71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 5cm 左右。 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 垂直灵敏度旋钮分图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看别调至适当档位，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11 / 71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 SV8 输出电压幅值 V。 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 SV8 输出电压幅值 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图片已关闭显示，点此查看表二 相位法测量声波传播速度记录表12 / 71图片已关闭显示，点此查看六 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? _36761Hz， ?f? ,环境温度：t?C，电压 15 伏）图片已关闭显示，点此查看实验结果：V 实?V?实测值与理论计算值之间的百分误差：?m?s?1EV?实?V 理V 理?100%?13 / 71八 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2016-5-11物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 5107 指导教师：一、 【实验名称】 超声波声速的测量 二、 【实验目的】 1、了解声速的测量原理2、学习示波器的原理与使用3、学习用逐差法处理数据三、 【仪器用具】1、SV-DH-3 型声速测定仪段 2、双踪示波器 3、SVX-3 型声速测定信号源四、 【仪器用具】1.超声波与压电陶瓷换能器频率 20Hz-20kHz 的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于 20kHz 称为超声波，超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14 / 71等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在 2060kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。后盖反图片已关闭显示，点此查看压电陶瓷片辐射头正负电图 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。2.共振干涉法测量声速假设在无限声场中，仅有一个点声源 S1 和一个接收平面。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。在上述假设条件下，发射波 1=Acoscos，你从示波器显示上会发现，当 S2 在某此位置时振幅有最小值。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图片已关闭显示，点此查看。15 / 71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 S1 和 S2 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；S2 移动过的距离亦为 /2。超声换能器 S2 至 S1 之间的距离的改变可通过转动鼓轮来实现，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 S2 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 =A1cos(2x /)cost+A2cos 为 = 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16 / 71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：图片已关闭显示，点此查看速度 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、【实验内容】1.仪器在使用之前，加电开机预热 15min。在接通市电后，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 Y1图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看，请接至双踪示波器的 CH1，用于观察发射波形；接收换能器的输出接至示波器的 CH2测定压电陶瓷换能器的最佳工作点17 / 71只有当换能器 S1 的发射面和 S2 的接收面保持平行时才有较好的接收效果；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 S1、S2 的谐振频率点处时，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/div，并进行调节，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S1、S2 相匹配频率点，记录频率 FN，改变 S1 和 S2 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 Li-1，距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 Li。即有：18 / 71波长 i=2Li -Li-1，多次测定用逐差法处理数据。3.相位法/李萨如图法测量波长的步骤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“X-Y”方式，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 Li-1；距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 Li。即有：波长 i=Li -Li-14. 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 Ci=if 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 S1 和 S2 之间的距离调到一定距离，再调节接收增益，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 Li-1、ti-1。移动 S2，如果计时器读数有跳字，则微调接收增益，使计19 / 71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 Li、ti。则声速 Ci=/。六、 【注意事项】1严禁将液体滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎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、 【数据记录】1测量共振频率 FN图片已关闭显示，点此查看2 驻波共振法图片已关闭显示，点此查看FN= t= 20 0C图片已关闭显示，点此查看3 相位比较法 t=200C图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看4 时差法 t=200C八、 【数据处理】t=20C 时声速的理论值：20 / 71V?(m/s)? 驻波共振法数据处理如下：?.?(L10?L5)?L?25?.?(?)25?波长：?2?L?声速：V1?f?10?3?103m/s?/s 百分误差：A1?2） 相位比较法数据处理如下：V?V0V0?100?10021 / 71?.?(L10?L5)?L?25?.?(?)?25波长：?2?L?声速：V2?f?10?3?103m/s?/s 百分误差：A2?V?V0V0?100?100?3） 时差法数据处理如下：?.?(L6?L3)V3?.?(T6?T3)?.?(?)?/s22 / 71?.?(685?560)A3?V?V0V0?100?100?九、 【实验结果】?V1?(m/s)1） 驻波共振法：?A1?V2?(m/s)2） 相位比较法：?A?2?V3?(m/s)3） 时差法：?A?3十、 【问题讨论】(成信院)图片已关闭显示，点此查看23 / 71【实验目的】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。【实验原理】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：F3?2A?cos?2?X/?cos? 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F1?A?cos(? t?2?X/?)、波束 2：F2?A?cos? t?2?X/?，当它们相交会24 / 71cos?2?X/?变化。如图所示。 压电陶瓷换能器 S1 作为声波发射器，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 S2 则作为声波的接收器，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 S1 发出的声波，经介质传播到 S2，在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 S2 处的振动情况。移动 S2 位置，你从示波器显示上会发现当 S2 在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，缓图片已关闭显示，点此查看图 共振干涉法原理图慢的改变 S1 和 S2 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 S2 移动过的距离亦为?/2。超声换能器 S2 至 S1 之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实25 / 71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 S2 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。 2相位法测量原理声源 S1 发出声波后，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： F1?F01?cos? t 距声源 X 处 S2 接收到的振动为：F2?F02?cos?(t?X) Y两处振动的相位差： ?X Y当把 S1 和 S2 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26 / 71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图片已关闭显示，点此查看。图 相位法原理图【实验仪器】实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的 SV6 型声速测量组合仪及 SV5 型声速测定专用信号源各一台，其外形结构见图图片已关闭显示，点此查看。图 SV6 型声速测量组合仪实物照片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 S1 固定在储液槽的左边，另一只接收超声波用的接收换能器 S2 装在可移动滑块上。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。27 / 71S1 发射换能器超声波的正弦电压信号由 SV5 声速测定专用信号源供给，换能器 S2把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；300mm 游标卡尺一把，用于测量固体棒的长度。图片已关闭显示，点此查看图 共振干涉法、相位法、时差法测量连线图【实验内容】1. 声速测量系统的连接声速测量时，SV5 专用信号源、SV6 测试仪、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 20VP?P 左右，然后将换能器的接收信号接至示波器，28 / 71调整信号频率?25kHz45kHz?，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S1、S2 相匹配频率点，记录此频率 fi 。 改变 S1、S2 的距离，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 S2 位置 X0 。然后，向着同方向转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，逐个记下振幅最大的 X1，X2，?X9 共 10 个点，单次测量的波长?i?2?Xi?Xi?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“EXT”外触发端；双踪示波器接收波接到“CH1” ，发射波接到“CH2”，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29 / 71斜线，记下 S2 的位置 X0，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，这时来自接收换能器 S2 的振动波形发生了 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 X1，X2，?X9。单次波长?i?2?Xi?Xi?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 S1 和 S2 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300400mV 左右，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 Li?1、ti?1 (时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)；移动 S2，记录下这时的距离值和显示的时间值 Li、ti。则声速 V1?(Li?Li?1)/(ti?ti?1) 。记录介质温度 t (?C)。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30 / 71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 (?C) 。 固体介质：(只适合用时差法测量)测量非金属、金属固体介质时，可按以下步骤进行实验： a.将专用信号源上的“测试方法”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。b.先拔出发射换能器尾部的连接插头，再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31 / 71后旋出发射换能器的一端，再旋出接收换能器的一端。 c.把发射换能器尾部的连接插头插入接线盒的插座中，按图(b)接线，即可开始测量。d.记录信号源的时间读数，单位为? s。测试棒的长度可用游标卡尺测量得到并记录。e.用以上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。f.用逐差法处理数据，根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。【数据处理】 1.共振平率： 驻波法-空气介质图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看李萨如图法-空气介质图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看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。经计算可得波长的测量结果?。干涉法空气介质：?=2*【+】图片已关闭显示，点此查看32 / 71/25=S? 考虑仪器读数误差和标准偏差，? 相位法空气介质：?=()+()+()+(图片已关闭显示，点此查看)+()/25=S? 考虑仪器读数误差和标准偏差，? 3按理论值公式 VS?V0?T，算出理论值 VS 。 T0式中 V0?/s 为 T0?时的声速，T?t?K。 t=15图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看Vs=V 4计算出通过二种方法测量的 V 以及?V 值，其中?V?V?VS 。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?C 时，用共振干涉法测得超声波在空气中的传播速度为：V=?/s ?=?V=% Vs33 / 71?V=% VsV=?/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 金属图片已关闭显示，点此查看非金属图片已关闭显示，点此查看【思考题】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 2Pi 距离来计算波速，这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34 / 71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。由于本实验中，声速和波长的函数关系可表达35 / 71为多项式形式，波长和所测得距离也为比例函数，且在实验测量的过程中自变量为等间距变化，因此采用逐差法测量数据。其优点是能充分利用测量数据而求得所需要的物理量,提高测量精度。 一、共振干涉法测量空气中的声速由干涉理论可知，L=/2，V=f=2fL 这两组线性关系。实验中等间距的出现波腹或波节，相当于游标卡尺的位置也是等间距来变化的，对测量的数据进行逐差法处理数据。图片已关闭显示，点此查看由逐次相减的数据可判断出 li 基本相等，验证了 L 与 的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。因此 有 L 平均= ?，L 平均=,?平均10=/s，并且此速度是在温度 T0=300K 测得。二、相位比较法测量空气中的声速实验中采用测量两个相同李萨如图像的位置点来测量波长。选取的李萨如图形是?= 时的斜直线，比较容易判断，减小实验误差，测得的数据进行逐差法处理。图片已关闭显示，点此查看36 / 71由逐次相减的数据也可判断出 li 基本相等，验证了 L 与 的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。因此有 L 平均= ?，L 平均=,?平均10=/s，并且此速度也是在温度 T0=300K 测得的。三、时差法测量空气中的声速图片已关闭显示，点此查看由逐次相减的数据也可判断出 ti 基本相等，验证了 ti 与 V 的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。因此有 t 平均 = ?，t 平均=,L=20mm, V=?平均?=?.?=/s,并且此速度也是在温度T0=300K 测得的。37 / 71?通过查阅相关资料得知，声音 15的标准空气中的传播速度为 340m/s，25时为346m/s；声音在 25的蒸馏水中传播速度为1497m/s，在 25的海水中的传播速度为 1531m/s。并且，声音在介质中传播会受到温度的影响。有关的研究表明，声音传播速度与温度是成正比的，在近地层中，当气温随高度增加而降低时，声音的传播速度虽高度增加而减小，声音的射线就会向上弯曲；反之，当气温随高度增加而升高，声音的传播速度就会随高度的增加而增加，声波射线呈向下弯曲状，给人的听觉就是“声音在下沉” 。因此，三次实验数据的得出还是比较好的符合了这个客观规律。共振法和相位法测得声速的大小出现了比较大的波动，比如在读数上，李萨如图像的判别上存较大误差。并且个别数据的值明显不符合规律，其实是应该进行试验修正的。测量声速实验目的：1）探究影响声速的因素，超声波产生和接收的原理。2）学习、掌握空气中声速的测量方法 3）了解、38 / 71实践液体、固体中的声速测量方法。 4）三种声速测量方法作初步的比较研究。实验仪器:1）超声波发射器 2）超声波探测器 3）平移与位置显示部件。 4）信号发生器： 5）示波器实验原理： 1)空气中：a.在理想气体中声波的传播速度为图片已关闭显示，点此查看v?称为质量热容比，也称“比热容比” ，它是气体的质量定压热容 cp 与质量定容热容 cV 的比值；M 是气体的摩尔质量，T 是绝对温度，R=(110-6)Jmol-1K-1 为摩尔气体常量。 ）标准干燥空气的平均摩尔质量为 Mst =?10-3kg/mol b.在标准状态下(T0?K,p?kPa)，干燥空气中的声速为 v0=/s。在室温 t下，干燥空气中的声速为v?v0图片已关闭显示，点此查看39 / 71c.然而实际空气总会有一些水蒸气。当空气中的相对湿度为 r 时，若气温为 t时饱和蒸气压为 pS，则水汽分压为 rps。经过对空气平均摩尔质量 M 和质量热容比 ? 的修正，在温度为 t、相对湿度为 r 的空气中，声速为计算）d.式(3)的计算结果与实际的超声声速真值可能有一定偏差。引起偏差的原因有： 状态参量的测量误差 理想气体理论公式的近似性实际超声声速还与频率有关的声“色散”现象等。实验方法：A. 脉冲法：利用声波传播时间与传播距离计算声速实验中用脉冲法测量，具体测量从脉冲声源(声发射器)到声探测器之间的传播时间 tSD 和距离 lSD，进而算出声速 v (实验中声源与探测器之间基本是同一被测煤质)lSD40 / 71v?tSDB. 利用声速与频率、波长的关系测量测波长的方法有B-1 行波近似下的相位比较法 B-2 驻波假设下的振幅极值法B-3 发射器与探测器间距一定时的变频测量法实验步骤：1）用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速a. 正确接线 将信号发生器的输出连接到声速仪的超声发射器信号的输入端的 T 型三通接头上，三通的另一个借口用导线连到示波器的一个输入端。声速仪的探测信号输出端连接到示波器的另一输入端上 b. 选定频率 当探测器距离发射器约 100mm 时，调节信号发生器的频率，调节范围为 3050kHz，同时记录接收信号的最大峰峰值。 得到如下数据：图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看作出图像：图片已关闭显示，点此查看要求选定某一使探测器输出信号幅度较大的频率41 / 71作为实验测量时的声波频率，所以频率应选为。c. 测同相点位置 单向缓慢移动探测器，同时观察发射器、探测器波形，当波峰在同一竖直线上时，记录此时数显卡尺读数值。然后继续移动探测器，记录七个相邻的波峰相同的位置。2）用驻波假设下的振幅极值法测量空气中的声速单向平移声发射器，依次找出 7 个相邻极大值位置，并记录。3）用行波近似下的相位比较法测量水中的声速实验步骤与在空气中的实验步骤基本相同频率为：实验结果：1）用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速数据记录如下：图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看实验前的气温 相对湿度 实验后的气温 相对湿度由此计算出的空气中的理论值为：v=/s用最小二乘法直线拟合的方法求波长得：=()mm 声速：m/s 理论偏差：42 / 712）用驻波假设下的振幅极值法测量空气中的声速数据记录如下：图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看用最小二乘法直线拟合的方法求波长得：=()mm 声速：()m/s 理论偏差：4）用行波近似下的相位比较法测量水中的声速数据记录：图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看用最小二乘法直线拟合的方法求波长得：(=)mm 声速：m/s总结与反思：这次实验使我认识到自己对实验仪器了解的不足。课前应查找相关资料以增加对如何操作实验仪器的知识！基科 22 崔文亮 2016012217 实验时间 2016 年 10 月 31 号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43 / 71号：大学物理仿真实验01实验日期：2016 年 6 月 3 日9 日 交报告日期：2016 年 6 月 10 日110123011一、 实验目的1. 了解超声波的产生、发射和接收的方法； 2. 用驻波法和相位比较法测声速。二、 实验仪器1. 超声声速测定仪：主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。 2. 函数信号发生器：提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率。3. 示波器：示波器的 x, y 轴输入各接一个换能器，改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的李萨如图形。并由此可测得当前频率下声波的波长，结合频率，可以求得空气中的声速。三、 实验原理由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f ，只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法和行波法测量。44 / 71下图是超声波测声速实验装置图。图 1 实验装置和接线图1.图片已关闭显示，点此查看驻波法测波长由声源发出的平面波经前方的平面反射后，入射波与发射波叠加，它们波动方程分别是：y1=Acos2 ft?xy2=Acos2 ft+叠加后合成波为：xy=(2Acos2)cos2ftcos2=1 的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：x=n2 (n=0,1,2,3)； cos2=0 的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：x=4 (n=0,1,2,3)。因此，只要测得相邻两波腹的位置 Xn、Xn+1 即可得波长。2xx45 / 71x2. 相位比较法测波长从换能器 S1 发出的超声波到达接收器 S2，所以在同一时刻 S1 与 S2 处的波有一相位差：=2 (其中 是波长，x 为 S1 和 S2 之间距离)。因为 x 改变一个波长时，相位差就改变x2p。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。四、 实验步骤1.连接仪器。按照图 1 连接好仪器，使用前开机预热 10min，自动工作在连续被方式，选择的介质为空气，观察 S1 和 S2是否平行。图 2 接线截图2.测量信号源的输出频率?。将示波器调整为 y-t 模式，观察到正弦信号的波形，使 S1 和 S2 间的距离约为 5cm；调节信号发射强度，波幅为 5V，在 350 附近调节频率，同时观察波形，使信号46 / 71幅度最大，此时频率为 329，即为本系统的谐振频率。3. 驻波法测波长和声速。向右缓慢移动 S2，观察示波器正弦信号的变化，选择信号最大位置开始读数，记为 xi，取 i=10，用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率 f0 计算声波波速和误差。4. 用相位比较法测波长和声速。将示波器调整为 X-Y 工作方式。观察示波器出现的李萨如图形，缓慢移动 S2，当重复出现该图形时，说明相位变化了 2，即 S1 和 S2 之间移动了一个波长。沿右连续测量 10 个周期，用逐差法处理数据，求出波长、声速及误差。图片已关闭显示，点此查看3李萨如图形图 3 =0 图 5 =4 图 6 =2 图 7 =34图 4 =图 8 =247 / 71图 9 =74图 10 =2图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查看图片已关闭显示，点此查