超声声速实验报告

1 / 44超声声速实验报告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：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2 / 44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。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.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。3 / 442xxx2. 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2.4 / 44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。3李萨如图形图 3 =0 图 5 =4 图 6 =2 图 7 =35 / 444图 4 =图 8 =2图 9 =74图 10 =24五、 数据记录及处理1 基础数据记录谐振频率 f0=2 驻波法测量声速的平均值：?6?i?6 / 44i?1 的不确定度：6(?i?)2Si?1?i(i?1)因为，i= (1i+6-1i) /3， 仪= 所以，u2?33?仪?2?S?u2? 计算声速：?f?f?1%计算不确定度：f? (kHz)?(f?2?)?(?f)2?3 (m/s)实验结果表示：=m/s，Ev=%3 相位比较法测量声速7 / 44517 的平均值：?i?7i?1 的不确定度：S?(?i?17i?)2i(i?1)273因为，i= (1i+7-1i) /7， 仪= 所以，u?仪?S?2?u2? ?计算声速：?f?计算不确定度：?f?f?1%? (kHz)?(f?)2?(?f)2?3 (m/s)8 / 44实验结果表示：=m/s，B=%六、 误差分析1. 由于使用软件虚拟操作，应该不会出现一些读数的误差，操作上也应该没有什么问题；2. 由于 6 月 9 日无法登陆大物实验中心和大厅，所以数据并没有从软件上得到，我只有参考了一些网络上的数据。七、 实验建议1. 2.虚拟实验的软件有很多地方还可以优化一下，如添加一个最小化按钮，调整一下，使之支持 64 位的操作系统等。实验的原理可以写得详细一些，由于有些知识没有学习，很大部分的实验原理都看不懂，知识照着实验指导上的步骤去做而已。八、 思考题1. 准确测量谐振频率的目的是什么?答：在谐振频率时，波形最稳定，能够观察读数。准确测量数值，以便于调整。2. 若固定两换能传感器之间的距离,改变频率,能否测量出声速?为什么?9 / 44能。因为 v = f ，已知频率 f，而且波长 也能通过示波器图像读出，所以可以用驻波法测量出声速。6西安交通大学大学物理仿真实验实验报告声速的测量姓 名：林 丽 学 号：2120505028 学 院：电信学院 班 级：计算机 22 班1一、 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。10 / 44三、 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。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.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。11 / 442xxx2. 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12 / 442.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。3李萨如图形图 3 =0 图 5 =4 图 6 =13 / 442 图 7 =34图 4 =图 8 =2图 9 =74图 10 =24五、 数据记录及处理1 基础数据记录谐振频率 f0=2 驻波法测量声速14 / 44的平均值：?6?i?i?1 的不确定度：6(?i?)2Si?1?i(i?1)因为，i= (1i+6-1i) /3， 仪= 所以，u2?33?仪?2?S?u2? 计算声速：?f?f?1%计算不确定度：f? (kHz)?(f?2?)?(?f)2?3 (m/s)实验结果表示：=m/s，Ev=%3 相位比较法测量声速15 / 44517 的平均值：?i?7i?1 的不确定度：S?(?i?17i?)2i(i?1)273因为，i= (1i+7-1i) /7， 仪= 所以，u?仪?S?2?u2? ?计算声速：?f?计算不确定度：?f?f?1%? (kHz)16 / 44?(f?)2?(?f)2?3 (m/s)实验结果表示：=m/s，B=%六、 误差分析1. 由于使用软件虚拟操作，应该不会出现一些读数的误差，操作上也应该没有什么问题；2. 由于 6 月 9 日无法登陆大物实验中心和大厅，所以数据并没有从软件上得到，我只有参考了一些网络上的数据。七、 实验建议1. 2.虚拟实验的软件有很多地方还可以优化一下，如添加一个最小化按钮，调整一下，使之支持 64 位的操作系统等。实验的原理可以写得详细一些，由于有些知识没有学习，很大部分的实验原理都看不懂，知识照着实验指导上的步骤去做而已。八、 思考题1. 准确测量谐振频率的目的是什么?答：在谐振频率时，波形最稳定，能够观察读数。准确测量数值，以便于调整。2. 若固定两换能传感器之间的距离,改变频率,17 / 44能否测量出声速?为什么?能。因为 v = f ，已知频率 f，而且波长 也能通过示波器图像读出，所以可以用驻波法测量出声速。6液体中超声波声速的测定人耳能听到的声波，其频率在 16Hz 到 20kHz 范围内。超过 20Hz 的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、实验目的1 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2 测定超声波在液体中的传播速度 二、实验仪器分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、实验原理将某些材料的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当18 / 44晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图 1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用 N0 表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为N?y,t?N0?Ncos?st?Ksy?式中 N 是折射率的变化幅度；s 是超声波的波角频率；Ks 是超声波的波数，它与超声波波长 s 的关系为 Ks=2/s。图 1b 是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度 vs 向前推进。图 1 密度和折射率呈周期分布如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波。设前进波与反射波分别沿 y 轴正方向传播，它们的表达式为?1?Acos?st?Ksy?2?Acos?st?Ksy?19 / 44其合成波为?1?2?Acos?st?Ksy?1?Acos?st?Ksy?利用三角关系可以求出?2AcosKsycos?st此式就是驻波的表达式。其中 cos?st 表示合成以后液体媒质中各点都在各自的平衡位置附近作同周期的简谐振动，但各点的振动为 AcosKsy，即振幅与位置 y 有关，振幅最大发生在 cosKsy?1 处，对应的 y?n?/Ks?n?s/2 这些点称为驻波的波幅，波幅处的振幅为 2A，相邻波幅间距离为为?s/2。振幅最小发生在 cosKsy?0 处，其中 y?(2n?1)?s/4，这些点称为波节，如图 2 中 a、b、c、d 为节点，相邻波节间的距离也为?s/2。可见，驻波的波腹与波节的位置是固定的，不随时间变化。对于驻波的任意一点 a，在某一时刻 t=0 时，它两边的质点都涌向节点，使节点附近成为质点密集区；半周期后，节点两边的质点又向左右散开，使波节附近成为稀疏区。在同一时刻，相邻波节附近质点密集和稀疏情况正好相反。与此同时，随着液体密度的周期变化，其折射率也呈周期变化，密度相等处其折射率也相等，这时折射率的空间分布为N?y,t?N0?2?NsinKsycos?st从式中可以看出，液体中各点的折射率是按正弦规律分布的，当光从垂直于超声波的传播方向透过超声20 / 44场后，会产生衍射，这一现象如同光栅衍射，所以超声波作用的这一部分介质可看成是一等效光栅，称为超声光栅。光栅常数为两个相邻等密度处的距离，即超声波的波长s。图 2 t=0 和 t=T/2 时刻振幅、折射率及质点的疏密分布图 3 喇曼-纳斯衍射按照超声频率的高低和受声光作用超声场长度的不同，声光作用可分为两种类型：喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射。本实验采用喇曼-奈斯衍射，如图 3 所示。平行光垂直入射光栅时，将产生多级衍射光，且各级衍射极大对称地分布在零级极大位置的两侧。设第 k 级衍射极大对应的衍射角为 k，则有?ssin?k?k?k?0,?1,?2,?3.?式中 为光波波长。超声波在介质中传播的速度为vs?sf式中 f 为振荡电源的频率。21 / 44图 4 实验原理图超声光栅实验的原理如图 4 所示。在超声光栅盒中的压电晶体两端加高频电压，压电晶体在交变电场作用下发生周期性的压缩伸长，即产生机械振动。当外加交变电场频率达到压电晶体的固有频率时，晶体会发生共振现象，这时机械振动的振幅达到最大值。超声波从晶体表面发射经过待测介质后在超声盒的反射器反射，适当调节压电晶体与反射器之间的距离，在液体中发射波与反射波叠加形成驻波，构成超声光栅。 四、实验内容与步骤1 调节分光计到正常测量状态。2 按照图 4 将线路连接好，在超声光栅盒中加入适当的水，将超声光栅盒放在分光计的载物台上，使超声波的传播方向与入射波垂直。3 确定高频电压的频率。适当调节高频电压的频率，微微调节压电换能器与反射器之间的距离，以便观察最佳的衍射条纹。4 测量高频电压频率和衍射条纹的衍射角，并测出待测液体的温度。 五、数据表格和数据处理1 衍射条纹的衍射角的测量22 / 442 求出该温度下液体中的平均声速。 答：求得的平均声速为 vs?1480m/s。3 根据纯水中声速与温度的关系： v?T?1557?74?T?验室温度下水中声速的经验值，并与实验值比较，求出误差。答：得经验值为 1498m/s，实验值为 1480 m/s，?vs?。 超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应地作周期性的变化，形成疏密波。此时，如有平行单色光垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声衍射。 单色平行光 沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。2 产生喇曼-奈斯衍射的实验条件是什么？如何保证光速垂直入射？答：产生喇曼奈斯衍射的实验条件：超声波频率较低、入射角较小，保证光垂直入射需调整入射角，平行光管发出的平行光垂直于超声光栅盒23 / 44超声波测光速-仿真实验报告实验日期： 教师审批签字： 实验人： 审批日期：一、实验目的1能够调整仪器使系统处于最佳工作状态。 2. 了解超声波的产生、发射、接收方法。3. 用驻波法、相位比较法测波长和声速。二、实验仪器及仪器使用方法实验仪器1 超声声速测定仪 2 函数信号发生器 3 示波器。 仪器使用方法1、连接测量电路。连线时鼠标选中接口，然后按住不放，拖到需要连接的另一接口后松开鼠标。如已有连线，则此操作将去掉连线。鼠标右键单击，弹出主菜单，选中接线检查，检查连线是否正确。2、调整仪器。双击各仪器弹出其放大窗口，调整该仪器。示波器的使用与调整。请先调整好聚焦。然后鼠标单击示波器的输入信号的接口，把信号输入示波器。接着调节通道 1，2 的幅度微调，扫描信号的时基微调。最后选择合适的垂直方式选择开关，触发源选择开关，内触发源24 / 44选择开关，Auto-Norm-X-Y 开关，在示波器上显示出需要观察的信号波形。输入信道的信号是由实验线路的连接决定的。信号发生器的调整。频率选择 35KHz 左右，幅度为 5V 的一个正弦信号。通过调节信号发生器的微调旋钮，观察示波器上信号幅度是否为最大来逐步寻找换能器的共振频率。1 通过游标卡尺来测量左右换能器间的距离。2当超声速测定仪的使用。把鼠标移动到右边的换能器上后，会出现“?”标志，表明此时可以移动。按下鼠标左键向左移动，按下右键向右移动。移动的幅度可以通过“调节状态”的“粗调”和“细调”来控制。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。1、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，它们波动方程分别为x25 / 44y1?Acos2?(ft?)?xy2?Acos2?(ft?)?叠加后合成波为：y?y1?y2?2Acos2?x?cos2?ft?( n =0,1,2,3?)时为波腹，当 x= ?(2n?1)( n =0,1,2,3?)42?时为波节。相临波腹间距离为，故只要测得相邻两波腹的位置2Xn、Xn-1 即可得波长。当 x= ?n2、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?x?、了解超声波的发射和接收方法。26 / 44、加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。、掌握用干涉法和相位法测声速。二、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的位置 Xn、Xn-1即可得波长。 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：=2x/，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 2。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。三、实验仪器超声声速测定仪：主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。 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。 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。四、实验内容1调整仪器使系统处于最佳工作状态。27 / 442用驻波法测波长和声速。3用相位比较法测波长和声速。五、实验数据及处理：f=34kHz;Vp-p=5V;L=;六、实验结论：波长 =;由此声速经测算为 v=m/s;U=%七、思考题：1固定距离，改变频率，以求声速。是否可行？答：不行，由“v = f ” ，距离一定后使得波长无法计算。2各种气体中的声速是否相同？为什么？答：不同，因为不同气体的密度不同,声波在不同介质中波长改变,根据公式可得结论。实验设计说明书题目：利用超声光栅测液体中的声速院部：理工科基础教学部专业班级： 物理学 1 班 学生姓名：某某某 28 / 44学 号：41106XXX实验日期： 2016 年 5 月 21 日超声光栅测液体中的声速人耳能听到的声波，其频率在 16Hz 到 20kHz 范围内。超过 20Hz 的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。一、实验目的学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。 测定超声波在液体中的传播速度。 了解超声波的产生方法。二、 仪器用具分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。三、 实验原理将某些材料的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反29 / 44压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。 正文：光声效应的发现无疑是物理学两大分支的又一次融合，利用超声光栅测量液体中的声速就是这一物理现象的应用。此次实验的仪器包括超声光栅池、超声仪、分光计、测微目镜以及光源。由于声波是纵波，所以当超声波在液体传播时，声波的振动会引起液体密度空间分布的周期性变化，进而导致液体的折射率亦呈周期性分布。如果在某一时间 t0，液体密度的空间函数为：?x?0?sin?st0?2?x? ?其中，?0 是液体的静态密度，?是密度的变化幅度，?s 是超声波的角频率，?是超声波长，x 是超声波的传播方向，也是密度变化的空间方向；此时，折射率2?的空间函数为：n?x?n0?nsin?st0?x?，其中 n0 为液体的静态折射率30 / 44?，?n 为折射率的变化幅度。 试验装置原理图如下图所示实际实验装置图方向为箭头所示方向矩形 A 就是超声光栅槽，超声波传播方向垂直于光的传播方向，当超声源 B 发出的超声波传播到 A 面，被反射回来，与入射波相干，形成驻波其密度空间结构满足式，其折射率满足式，又由于光速远远大于声速，故当光穿过超声光栅时，可认为折射率不随时间变化，?2?即 n?x?n0?nsin?x?呈周期性变化，则可看做一个平面光栅，且其光栅常数为?，因为其空间结构的分布周期为?。有光栅方程可知：sin?j?0，?j?Z?其中?0 为光在真空中的?31 / 44波长。另一方面，当光想通过光栅形成的衍射条纹落在测微目镜的焦平面上，其衍射角还可以表示为：tan?sin?j?0x，其中 f 为测微目镜的焦距，所以就有 f?x?x，于是?0?0，式子中的 vs 就是要测的声速，其中 fs 为超声波 fffs?fsvs的频率，其值可以由超声仪读出，这样，就测出了声速，其表达式为 vs?0ffsx四、 实验内容及步骤调节分光计到正常测量状态。将线路连接好，在超声光栅盒中加入适当的水，将超声光栅盒放在分光计的载物台上，使超声波的传播方向与入射波垂直。确定高频电压的频率。适当调节高频电压的频32 / 44率，微微调节压电换能器与反射器之间的距离，以便观察最佳的衍射条纹。实验过程，第一步，对分光计进行准直调节；第二步，在超声光栅池中倒入清水；第三步，打开光源，在测微目镜中能够看到一条白色竖直亮条纹，微调测微目镜的距离，使条纹变得清晰；第四步，打开超声源开关，并调节超声波频率，使视野中出现尽可能多的衍射条纹；第五步，转动测微目镜上的螺旋测微器旋钮，记录每条条纹的相对位置，并求其条纹间距 x；利用公式，求出声速。此次实验所用超声波频率 fs?，测微目镜焦距f?170mm，光在真空中的波长?0=598nm，测得数据如下表所示：?3?x?ff598nm?170mm?/s 所以，求得声速为：vs?0s?由于实验只有一组数据测量，故无不确定度。所以，测量结果：v?/s33 / 44注意事项：、实验所用超声仪易发热，为了不使仪器过热，应该尽快记录数据，然后切断电源。、实验结束，超声池中的水应尽快清理，不应长时间浸泡在液体槽内。 、超声仪的频率易受外界变化的影响，只要外界变化使其导线电容分布变化，就会对输出频率产生影响，因此应尽量避免震动以及触碰导线。、共振频率一般在 10MHz 左右，实验中应尽量避免超声仪的频率高于 11MHz，一面电路过热。 思考、由公式要得到公式，必须首先知道一个前提条件，就是，同种物质的折射率与其密度成正比，如果不是，则不能推出，理由是，如果折射率和密度无关或成其他关系，则液体的密度呈周期性分布时，其折射率可能不变或成其他关系，只是周期性仍然存在。、 在的前提之下，载有超声波的液体为什么与熟悉的平面光栅有同样的效果？这是因为，当折射率成周期性分布时，平行光垂直与超声波传播方向通过液体时，不同位置光的光程不一样，就相当于光线通过了折射率相同而宽度呈周期性变化的透明玻璃，故会发生衍射。、 任意频率的超声波在此实验中都可以形成驻波， ，而在于压电换能器达到共振是衍射条纹才会明显增多而且明亮，这是因为，如果频率与共振频率相差较大时，34 / 44虽然已经形成光栅，但是还可能不够明显，对光的衍射较微弱，现象不明显，所以只有在达到共振时才有明显的衍射条纹。、 由于实验中所用的光是白光，经过衍射会发生色散现象，这对测量条纹间距造成了一定的困难，若用单色钠光源，则实验效果更佳；本实验中，由于光的色散，会出现彩色条纹带，为了与规定相符，记录数据时，记录黄色光所产生的条纹的位置，作为条纹位置，上面图片中呈现绿色是因为照相机的原因。、 由于实验中超声仪的频率很不稳定，很难抓住条纹数目最多的时刻，用逐差法求条纹间距，3x?这对实验造成了一定困难。实验总结本实验所用的原理非常新意，而且非常简单，实验操作也很容易。在实验时，为使效果达到最好，必须调节频率，以能观察到最多的条纹，衍射的条纹最亮。实验结果的误差很大，只能说符合理论，其参考的作用。超声光栅技术的发展也很迅速，现在已广泛应用在无损检查、探伤、测距、测量物质浓度等。实验报告声速的测量35 / 44【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36 / 44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。37 / 44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。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?= ? ?+? ? /? ?=1?。如测不到 20 个极大值，则可少测几个(一定38 / 44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=#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;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39 / 44完成，程序如下#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v = m/s4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【分析讨论】1 关于误差40 / 44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