声速的测量(空气)课件

1、北京科技大学天津学院物理实验室声速的测量前言声速即声波的传播速度,声波是在弹性媒质中传播的一种纵波.声波包括可闻声波、次声波、超声波。 可闻声波是频率介于20Hz20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播形成的。 f20Hz 次声波 20Hzf20KHz 超声波超声波波长短，易于定向发射在实际生活中有广泛的应用： （一）工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等 （二）生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等 （三）诊断学方面的应用：A型、B型、M型、D型、双功及彩超等 （四）治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等 本实验主要测量超声波在空气中的传播速度1了解声速测

2、量的基本原理。2学会两种测量声速的方法。3掌握用逐差法处理数据。实验目的实验原理.利用声速、频率f和波长间的关系： = f .如果声波在媒质中 t 时间内传播的距离为 L，则声速为 = L/t 实验原理: = f设计思路：1.产生一种声波2.测出f3.测量4.计算声速 f装置:压电陶瓷换能器 原理: 压电效应 逆压电效应:当压电陶瓷片两端外加电压时，陶瓷 片将产生伸缩形变，产生超声波。 正压电效应:当压电陶瓷片两端受到应力作用时， 两端面间将产生电场强度，可 以加以测量。超声波产生和接收压电效应1.信号发生器 电信号压电陶瓷片 S1声波信号2.S2声波信号 压电陶瓷片 电信号 示波器超声波产生

3、和接收S1S2LX信号发生器示波器游标卡尺A发出施加产生施加产生测量f 压电陶瓷晶片的振荡频率约为40KHz,为了能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1、2的振荡频率40KHz左右，传感器发生共振时，才能较好地进行声能与电能的相互转换，S2才会有一定幅度的电信号输出，才能有较好的实验结果。 调节方法：调节信号发生器的频率为39KHz，在十位上微调信号发生器频率，使示波器上出现正弦波形，微调频率个位使正弦波波幅最大，记下频率值f，即为声速测量仪的工作频率。测量的方法1.驻波法2.行波法 当发声器发出的声波经接收器反射后，波将在两端面间来回反射并且叠加，形成驻波。驻波就是两列

4、频率、振幅和传播速度完全相同，但传播方向相反的两列波的叠加 。1.驻波法（共振干涉法）：S1S2xX信号发生器示波器游标卡尺A 入射波： 反射波： 驻波方程：驻波共振波腹 的位置应该是: 的各点 即 的各点 波节的位置为： 可见，相邻两波幅和波节之间的距离都为： /2即： 驻波法原理总结 当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处于波腹。 实验中，当发生共振时，接收器接收到的声压最大，经接收器转换成的电信号也最强。当接收器端面移动到某个共振位置时如果示波器上出现了最强的电信号，继续移动接收器，在共振位

5、置将再次出现最强的电信号，则两次共振位置之间的距离x为/2。 只要我们测出x的值就可以求出根据驻波方程:S1和S2之间产生相位差：若在x1处则在x2处则x2和x1之间的相位差为：则 S1S2xX Y信号发生器示波器游标卡尺A2.行波法（相位比较法或李萨如图形法）： 我们可通过测x，计算 将示波器置于XY方式，相位差从0 变化，李萨如图形分别为： 显然，当S1、S2之间距离x改变/2 ，相位差改变，图形从某一方位的直线变成另一方位的直线。实验仪器声速测定仪传感器及它的内部结构功能键主功能键微调旋钮垂直位移水平位移触发电平垂直灵敏度选择旋钮扫描速率选择旋钮数字显示屏数字示波器数字示波器的原理.示波

6、器采样模/数转换二进制数值存储 重建信号波形.假波：采样不够快不能对波形进行精确的记录）调整扫速）采用自动设置 .自动测量假波现象示意图数字示波器与模拟示波器的区别 数字示波器显示的波形不是信号本身的波形，而是使用采集到的数据重建的波形。 模拟示波器显示的波形就是被测系统中实际发生的情况显示区域介绍偏转因数S(单位:mv/cm)扫描速率S1(ms/cm)1cm信号发生器微调输出端功能键信号发生器实验步骤1.驻波法按右图连线。调节接收器和发声器之间的距离为80mm，打开电源开关。复位示波器（SAVEF1），调节扫描速率为10us/cm，CH1Y轴灵敏度5mv/cm，电平方式改成“自动电平”（ME

7、NU3次F3）调节信号发生器的频率为39KHz，在十位上微调信号发生器频率，使示波器上出现正弦波形，微调频率个位使正弦波波幅最大，记下频率值f，即为声速测量仪的工作频率。转动鼓轮，增大改变接收器和发声器之间的距离，观察波形的变化。当波幅最大时，记下对应的位置X1的坐标，然后再同向转动鼓轮，依次测出X2，X3和X4，记录在表1内。再倒转回X1坐标以下，重复测量5遍。注意：5次测量必须在同一位置，测量时鼓轮必须同方向旋转。S1S2LCH1信号发生器示波器游标卡尺A2.行波法按右图连线。调节接收器和发声器之间的距离为100mm，信号发生器的频率与驻波法测量时的保持一致。电平方式改成“自动电平”，选择

8、双路显示，扫描速率为10us/cm，CH1Y轴灵敏度5mv/cm，CH2轴灵敏度200mv/cm，出现正弦波。让示波器工作在XY模式下（HORI MENUF5），出现李萨如图形。转动鼓轮，增大接收器和发声器之间的距离，观察李萨如图形的变化。当图形变成直线时，记下对应的位置X1的坐标，然后再同向转动鼓轮，图形再次变成直线（此时方位改变），记下对应的位置X2的坐标，依次测出X3和X4，记录在表2内。再倒转回X1坐标一下，重复测量5遍。注意：5次测量必须在同一位置，测量时鼓轮必须同方向旋转。S1S2LCH1 CH2信号发生器示波器游标卡尺A 位置次数X1（mm）X2（mm）X3（mm）X4（mm）12345平均值Xi表1 驻波法声速测量记录表格 传播介质： 温度T工作频率fHz 位置次数X1（mm）X2（mm）X3（mm）X4（mm）12345平均值Xi表2 行波法声速测量记录表格 传播介质： 温度T工作频率fHz数据处理1、根据温