西安交通大学物理仿真实验实验报告(2)

物理仿真实验报告 超声波测声速 班级 计算机 11 学号 2110505018 姓名 司默涵 西西安安交交通通大大学学实实验验报报告告 第第 1 页 共页 共 10 页 页 课程 课程 大学物理实验大学物理实验 实实 验验 日日 期期 2012 年年 11 月月 26 日日 专业班号专业班号 计算机计算机 11 组别组别 无无 交交报报告告日日期期 2012 年年 11 月月 30 日日 姓姓 名名 司默涵司默涵 学号学号 2110505018 报报 告告 退退 发发 订正 重做 订正 重做 同同 组组 者者 司默涵司默涵 教教师师审审批批签签字字 实验名称 实验名称 超声波测声速超声波测声速 一 实验目的 1 了解超声波的产生 发射 和接收方法 2 用驻波法 相位比较法测量声速 二 实验仪器 SV DH 系列声速测试仪 示波器 声速测试仪信号源 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 共振干涉法 和行波法 相 位比较法 测量 下图是超声波测声速实验装置图 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 叠加后合成波为 振幅最大的各点称为波腹 其对应位置 振幅最小的各点称为波节 其对应位置 因此只要测得相邻两波腹 或波节 的位置 Xn Xn 1 即可得波长 2 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 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 四 实验内容及操作步骤 1 接线 2 调整仪器 1 示波器的使用与调整 使用示波器时候 请先调整好示波器的聚焦 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 2 信号发生器的调整 根据实验的要求调整信号发生器 产生频率大概在 35KHz 左右 幅度为 5V 的一个正弦信号 由于本实验测声速的方法需要通过换能器 压电陶瓷 共 振把电信号转为声信号 然后再转为电信号进行的 所以在开始测量前需要调 节信号的频率为换能器的共振频率 在寻找共振频率时 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的 3 超声速测定仪的使用 在超声速测定仪中 左边的换能器是固定的 右边的换能器是与游标卡尺的 滑动部分连接在一起的 这样 左右换能器间的距离就可以通过游标卡尺来测 量出来 在上图的下半部分是一个放大的游标卡尺的读数图 3 实验内容 寻找到超声波的频率 就是换能器的共振频率 后 只要测量到信号的波 长就可以求得声速 我们采用驻波法和相位比较法来测量信号波长 1 驻波法 信号发生器产生的信号通过超声速测定仪后 会在两个换能器件之间产生 驻波 改变换能器之间的距离 移动右边的换能器 时 在接收端 把声信号转 为电信号的换能器 的信号振幅会相应改变 当换能器之间的距离为信号波长的 一半时 接受端信号振幅为最大值 实验中调节示波器的垂直方式选择开关 触发源选择开关 内触发源选择 开关 Auto Norm X Y 开关 使屏幕上显示出接受端信号 图见前面 调整仪 器 中 示波器的使用与调整 部分 然后 一边移动右边换能器 一边观察 示波器上的信号幅度 当信号幅度为最大值时 通过放大的游标卡尺读出此时 换能器间的距离 两个相邻的信号幅度最大时换能器间的距离差就是波长的一 半 2 相位比较法 由于两个换能器间有距离 这样在两个换能器处的信号有一相位差 当换 能器间距离改变一个波长时 相位差改变 2p 实验中调节示波器的垂直方式选择开关 触发源选择开关 内触发源选择开关 Auto Norm X Y 开关 使屏幕上显示出两个换能器端信号产生的李撒如图 见图 11 然后 一边移动右边换能器 一边观察示波器上的李撒如图 当观察到两 个信号的相位差改变 2 时 通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离 五 注意事项 1 确保换能器 S1 和 S2 端面的平行 2 信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率 f0 保持一致 六 实验经过及数据记录 1 驻波法测声速 连线如图 调节各仪器到如下图所示状态 所示波峰峰值最大 读数 3 98mm 再调节声速测试仪 使所示波峰峰值重新达到最大 读数 9 28mm 以此类推 读出多组数据 记录如下所示 14 36mm19 54mm24 88mm29 98mm35 28mm 40 42mm45 66mm50 74mm55 94mm61 12mm 66 36mm71 56mm76 82mm81 98mm87 14mm 92 34mm97 66mm102 76mm108 04mm113 12mm 2 相位比较法 连线如图 调节各仪器到如下图所示状态 读数 9 20mm 再调节声速测试仪 使所示波型与前一次相同 读数 19 62mm 以此类推 读出多组数据 记录如下 30 00mm40 42mm50 82mm61 18mm71 62mm 82 00mm92 42mm102 82mm113 18mm123 58mm 七 数据处理 1 驻波法 3 98mm 9 28mm 14 36mm 19 54mm 24 88mm 29 98mm 35 28mm 40 42mm 45 66mm 50 74mm 55 94mm 61 12mm 66 36mm 71 56mm 76 82mm 81 98mm 87 14mm 92 34mm 97 66mm 102 76mm 108 04mm 113 12mm 121 5 20mm smHzmfV 86 3633500001039 0 2 相位比较法 9 20mm 19 62mm 30 00mm 40 42mm 50 82mm 61 18mm 71 62mm 82 00mm 92 42mm 102 82mm 113 18mm 123 58mm 36 10 40mm smHzmfV 98 3633500001040 0 八 小结 包括误差分析 结论 建议等 误差分析 设室温为 25 摄氏smV 28 346 15 273 25 145 331 0 度 百分误差 346 28 5 11 0 0 0 0 11 5 100 28 346 28 34698 363 r E 误差可能的原因 1 在实验进行的过程中 每次依照所示波调节声速测试仪时 都只能靠肉 眼察 所以无法准确调到适当位置 存在较大误差 2 声速测试仪信号源输出的波形可能不是我们想象的那么精确 导致最后 所测声速偏大 结论 通过超声波之间的干涉 可以通过测量和计算得到声速的值 建议 本实验的完成