声速的测定试验报告

1、声速的测定实验报告1、实验目的(1)学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度.(2)进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法.(3)学会用逐差法处理数据.2、实验仪器超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B示波器ST16B3、实验原理3. 1 实验原理声速V、频率f和波长入之间的关系式为 V f .如果能用实验方法测量声波的频率f和波长入,即可求得声速 V.常用的测量声速的方法有以下两种.3. 2 实验方法3. 2. 1驻波共振法(简称驻波法)S1发出的超声波和 S2反射的超声波在它们之间的区域内相干预而形成驻波.当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时,此驻波的振幅才到达最大值,此时

2、的频率为共振频率.驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关,还取决于边界条件,在声速实验中,S、S2即为两边界,且必定是波节,其间可以有任意个波节,所以驻波的共振条件为：L n,n 1,2,32(1)即当S1和S2之间的距离L等于声波半波长的整数倍时,驻波系统处于共振状态,驻波振幅最大.在示波器上得到的信号幅度最大.当L不满足(1)式时,驻波系统偏离共振状态,驻波振幅随之减小.移动S2,可以连续地改变 L的大小.由式(1)可知,任意两个相邻共振状态之间,即S2所移过的距离为：L 1n 11n n 1 n Ln 1 Ln22 2(2)可见,示波器上信号幅度每一次周期性变化,相当于 L改变了 2

3、.此距离2可由超声声速 测定仪上的游标卡尺测得,频率可由低频信号发生器上的频率计读得,根据V f ,就可求出声速.3. 2. 2两个相互垂直谐振动的合成法(简称相位法)在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形一一称为李沙如 图形.其轨迹方程为：22XY2XY2Cos 21 Sin 2121 0时,由(5)式,得A1A2Ai A2在一般情况下,此李沙如图形为椭圆.当相位差参见图162(a)A2 y xAi ,即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线122时,得Aiy1 时,得2121A2,轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆A2X改变Si和S2之间的距离L,相当于改变了发射波和接受波之间

4、的相位差Ai ,轨迹为处于第二和第四象限的一条直线.21 ,荧光屏上的图形也随之变化.显然,L每变化半个波长即L Ln 1 Ln 2 ,位相差 就变化 .随着振动相位差从 0一 的变化,李沙如图形 就按图162a 一 b c变化.因此,每移动半个波长,就会重复出现斜率符号相 反的直线.测得波长和频率f ,根据V f ,就可计算出声速.4、实验内容1熟悉声速测定仪该仪器由支架、游标卡尺和两只超声压电换能器组成.两只超声压电换能器的位置分别与游标卡尺的主尺和游标相对定位,所以两只换能器相对位置距离的变化量可由游标卡尺直 接读出.两只超声压电换能器,一只为发射声波用电声转换 ,一只为接收声波声电转换

5、, 其结构完全相同.发射器的平面端面用以产生平面声波；接收器的平面端面那么为声波的接收面和反射面.压电换能器产生的波具有平面性、单色性好以及方向性强的特点.同时可以控制频率在超声波范围内,使一般的音频对它没有干扰.2驻波法测量声速1 按图接好线路,把换能器S引线插在低频信号发生器的“功率输出孔,把换能器S2接到示波器的“ Y input2 翻开电源开关,把频率倍乘按钮X10K压入,调节幅度电位器,使数码显示屏读数5-8V电压,电压衰减按钮为20dB;波形选择为正弦波弹出状态.3 压入示波器电源开关,把示波器Y衰减开关VOLTS/DIV置0.5v档,Y输入方式置 AC 位.扫描档TIME/DIV

6、为20us,触发源触发 TRIG选择“内同步INT ；触发方式为“自 动.4 移动&位置,目测$与S2的距离为3cm左右,调整低频信号发生器的“频率调节 波段开关,调节频率微调电位器,使数码显示屏的频率读数为34.000 -36.000KHZ范围.观察示波器,当屏幕的波形幅度最大时,说明换能器S1处于共振状态.记下频率 f值实验过程中,频率f不许改变,否那么影响实验数据.5 示波器荧幕的波形假设不在中央,可调节垂直或水平位移电位器；波形太小可能不 稳定或太大,可调节 Y增益电位器VARIABLE使波形幅度适中.6注意：实验过程中不要用手触摸两个换能器,以免影响测量精确性.7 向右稍移S

7、2,并调整游标卡尺的微调螺丝,同时观察示波器上波形,使波形幅度最 大,幅度如果超过屏幕,可调整丫增益VARIABLE使波形满屏.记下 卷的初始位置L.8由近至远慢慢移动接收器 及,逐个记下九个幅度最大的位置即 Li值.3相位法测声速1 把示波器触发方式选择“外接.2 把示波器的“ Y input 接超声波测速仪的接收器&,示波器“ X输入联接到低频错品用口川信号发生器的电压输出不能接同步输出.3 把白调回距S大约3cm,移动接收换能器 S2,调节游标卡尺微调螺丝,同时观察示 波器的图形变化,使图形为“/,记下&初始位置L.4 由近至远,慢慢移动&,并注意观察图形变化,逐

8、下记下每发生一次半周期变化即图形由“ /直线变到“ 直线接收换能器 &的位置读数Li值,共测十个数据.5实验完毕,关掉电源,整理好仪器5、实验参考数据1驻波法测量声速共振频率f =34.583KHz标准偏差£ 5 LiLi=0.036 mmCnSL 5 Li 5 i1.650.036 0.06Li0.02Ub0.012mm表1驻波法测量波长的测量数据Li 10 3mmLi 10 3 mmLi 5Li 10 3mmvL 5 i 10 3mm193.726119.5425.820.012298.847124.7025.860.0283104.028129.9025.880.048

9、4109.229135.0225.800.0325114.3810140.1825.800.032逐差法处理表1数据合成不确定度为ULi 5 Li2Ub25 Li UB.0.0362 0.01220.038(mm)mf频率f不确定度uf0.346%30.2(Hz)Ev曰2(.ULi 5 Li)2f Li 5 L声速V的相对不确定度0.220.038 2()()0.006 0.6%34.58325.832声速的计算2 ,2V - f(Li 5 Li) £34.583 25.832 357.34(m/s)55声速V不确定度为Uv VEv 357.34 0.006 3(m/s)室温时声速结果表达式：V V Uv 357.34 0.006m/s