超声波测声速实验报告

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（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。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=Acos2ft-xy2=Acos2ft+x叠加后合成波为：y=(2Acos2x)cos2ftcos2x=1的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：x=n2 (n=0,1,2,3)；cos2x=0的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：x=（2n+1）4 (n=0,1,2,3)。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：=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2p。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f0。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（100MHz）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（100MHz），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。李萨如图形 图3 =0 图4 = 图5 =4 图8 =2 图6 =2 图9 =74 图7 =34 图10 =2五、 数据记录及处理1 基础数据记录谐振频率f0=33.5kHz2 驻波法测量声速表1 驻波法测量声速数据i1i（cm）i+61i+6（cm）i= (1i+6-1i) /3（cm）19.062712.2341.05729.576812.7761.067310.124913.3141.063410.6501013.8221.057511.1801114.3541.058611.7021214.8441.047的平均值：1.0582（cm）的不确定度：0.002（cm）因为，i= (1i+6-1i) /3，仪=0.02mm所以，0.000544（cm）0.021（mm）计算声速：（m/s）计算不确定度：实验结果表示：=（3543）m/s，Ev=0.8%3 相位比较法测量声速表2 相位比较法测量声速数据（相位变换2）i1i（cm）i+71i+7（cm）i= (1i+7-1i)/7（cm）谐振频率18.162815.9261.109f=32.0kHz29.282917.0501.1103104001018.2201.107411.5121119.2061.099512.6001220.2901.099613.7221321.4601.105714.8321422.5321.100的平均值：1.1041（cm）的不确定度：0.002（cm）因为，i= (1i+7-1i) /7，仪=0.02mm所以，0.000233（cm）0.020（mm）计算声速：（m/s）计算不确定度：实验结果表示：=（3533）m/s，B=0.8%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. 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。2. 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