超声波小课题

-.z.小课题题目变温声速和超声波干预、衍射的研究****专业陈茜3080030150*冠雄3080030143指导教师 陈水桥学院 竺可桢学院目录引言……………3实验内容…………3一声速的测定与变温声速……3二超声波干预、衍射的研……9完毕语……………19引言作为日常生活中最为常见的机械波之一，声波具有很大的实际研究意义。在机械波的各种特性方面，对于波速的研究占据了其中非常重要的地位。研究声波的传播速度，以及影响其传播的因素，对于理解实际生活中的现象等拥有特别的意义。测量声速的方法有很多种。随着电脑科学技术的开展，配合上专业的软件，该实验为测量声波的传播速度及温度对声波传播速度的影响提供了一种新方法。超声波是声波中特殊的一例，其地位在当代军事、医学、科技等领域均十分重要，对超声波各种特性的研究，包括对其衍射和干预〔相干性〕进展研究，拥有着重要的现实意义。而在研究超声波本身特性的根底上，我们还参加了对材料的考虑，从颜色和材料两方面对超声波的反射效率又进展了初步的分析。下面我们就分别对这两个实验做一介绍。本小课题实验由两局部组成：一是测定室温下的声速，并且探究声速与温度之间的函数关系；二是超声波干预与衍射现象的探究，以及不同材料或颜色对超声波反射效率的研究。【实验一】声速的测定实验概述声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，其振动状态的传播是通过媒质各点间的弹性力来实现的，因此波速决定于媒质的状态和性质〔弹性模量和密度〕。液体和固体的弹性模量与密度的比值一般比气体大，因而其中的波速也较大。声波通过实验说明仅仅有细微的色散，也就是说，在空气中的传播〔波〕群速与相速没有区别。因此，我们仅能通过测声波脉冲的传播速度就得到声速c。声速测定实验包括两局部：室温下声速的测定和测定空气中声速与温度的函数关系。一、测量室温下的声速实验目的测量室温下的声速，验证在空气中的传播〔波〕群速与相速没有区别。实验原理声波是一种在弹性媒介中传播的纵波。由于群速和相速一致，所以测得的空气中声音脉冲的传播速度就是声速。测定速度的最简单的方法就是路程差除以时间差。本实验测定声音在空气中的传播速度时采用方波脉冲加到扬声器的薄膜，使其摇晃。这种运动导致附近的气压的改变，从而产生了声音脉冲。由一个与扬声器制定距离的麦克风来接收声音脉冲。为了确定声速C，我们要测量声波从声源到麦克风的时间间隔，但是声源确实切位置很难直接确定，我们必须测量两次，测量的位置分别在S1和S2，ΔS=S1-S2，两次的时间差为Δt=t1-t2，由数学知识得，S1/t1=C=S2/t2可推知声速C=ΔS/Δt。实验器材底座、塑料管、直流电压源、扬声器、麦克风、标尺、Sensor-cassybo*〔及Timer和Temperaturebo*两个模块〕、电脑、Cassylab软件、温度计实验步骤通过软件CASSYLAB可以直接测量发出和接收声音脉冲的时间差。其中Sensor-CASSY是测量仪器和电脑连接的中介,面板上的INPUTA和INPUTB可以和各种不同的接口连接，接收不同类型的数据，这个实验就分别和Timerbo*和Temperaturebo*连接，来接收时间差、温度的信息。自动定时开关是一个可用函数来设定开启、闭合的规则的开关。在设置下双击面板Sensor-CASSY上的按钮，就可以对里面的INPUTA、INPUTB和自动定时开关的参数进展修改。搭好实验线路〔见图2-1〕：考前须知：不要让扬声器紧挨着塑料管，要分开大约10厘米。因为扬声器的震动会带动塑料管的震动，这样会影响麦克风的接收，得到相差很大的DT。本身DS就很小，在10-20厘米左右，所以声源位置的有微小的变动，都可能产生较大的误差，所以固定好塑料管的托架、标尺、扬声器的位置，使其在一条直线上，在实验期间，不要改变它们的位置。麦克风调到档。直流电压源加热丝电源Sensor-CASSYCASSYLabbyLeyboldDidacticGmbHTemperaturebo*Timerbo*扬声器直流电压源加热丝电源Sensor-CASSYCASSYLabbyLeyboldDidacticGmbHTemperaturebo*Timerbo*扬声器INPUTBINPUTA标尺具体实验操作：翻开CASSYLAB的软件，进展电脑软件参数设置。Parameter里面的设置只要一个新的变量path，即为实验里的S，它的改变需要手动输入，因为我们要得到的是位移差，所以S的起始点并不重要。Display里面设置两个Display分别对应两个实验。另外一种设置参数的方法：因为这个实验作为一个例子，其参数已经在CASSYLAB的软件中已经设置好，只需要在"索引〞中找到Acoustics下的第二个实验Velocityofsoundinair，按下"loade*ample〞按钮，参数就设置完成了。对于其中的Velocityc则不用去管它。按F9记录测量数据。因为测量时的外部环境干扰实在很多，所以在同一个 S下t的值可能会相差很多，这时要多按F9,采集较多的数据，筛选数据，找到出现平率最高的数据范围，取t的平均值。沿着标尺改变S的位置，重复一次上述的步骤。计算〔S1-S2〕/〔t1-t2〕。求出声速S的值。实验数据经过实验操作，得到如下实验数据，记录成表：室温：13.4摄氏度t1是距离为S1时的传播时间,t2是距离为S2=S1+20cm时的传播时间.次数t1/st2/s(t1-t2)/sc/(m/s)10.005355410.004773410.000582343.64320.005448490.004865490.000583343.05330.005298200.004723200.000575347.82640.005291060.004712060.000579345.42350.005395470.004806470.000589339.559平均声速:c=343.9m/s实验结论13.4℃下的声速理论值：c0=331.45+0.6*T=339.5(m/s)误差E=|c-c0|/c0*100%=1.30%实验测得的声速值与在实验室温度下的声速理论值十分接近，也验证了声速与温度之间的关系式：c0=331.45+0.6*T二、测定空气中声速—温度的函数实验目的1.测量空气中声速c-温度的函数2.绘制线性函数c=f(θ)的图形，并得出直线的斜率。实验原理在气体中声速c有以下关系：〔K：体积模量，ρ：密度〕又由于声波里压强的变化是绝热的，体积模量为：K=p•k〔p:压强，k:绝热指数〕因此，对于声速c，我们得到………………〔1〕对于理想气体，有〔cp、cv：气体热容量〕压强与密度的比率与温度有关：〔α=1/273k〕带回〔1〕式，得到：在实验的这个系统中，压强是常数〔外界大气压的值〕。当温度升高时，密度增大，从而声速增加。实验器材底座、塑料管、直流电压源、扬声器、麦克风、标尺、Sensor-cassybo*〔及Timer和Temperaturebo*两个模块〕、电脑、Cassylab软件、变压器、加热线圈、温度计实验步骤1.实验装置安装及参数设置：同室温下声速测定实验中的设置。2.在不同的温度下测量声速：a)连接加热丝电源，调整在12V，如果升温太快，则调到6 V。b)固定S的位置，在不同温度下，用F9记录下数据，大约每五摄氏度，连续记录十个数据，筛选出出现概率最多的数据。观察DT随温度发生的变化。考前须知：由于为了免除干扰，必须将扬声器离塑料管一定的距离，然而这样很难保证塑料管内的空气温度是均匀的。如果扬声器紧挨着塑料管，这会使承受到的信号不准确〔会出现很多DT〕，需要进一步筛选数据，所以实验很难准确。实验数据经过实验测定，得到如下实验数据，记录成表：室温：13.4摄氏度等效距离：2.04m温度/摄氏度时间/秒声速m/s理论声速m/s13.40.0059316343.6339.518.50.0058755347.2342.623.50.0058126350.0345.629.20.0057511354.7349.034.90.0057005357.9352.438.10.0056780359.3354.343.50.0056271362.5357.648.20.0055694366.3360.454.00.0055311368.8363.8结果分析在这个实验中，和声速测定的实验一样，采用曲线拟合法处理数据，求得图像如以下图：与理论值的误差：从实验结果中可以看到，对于c=331.45+0.6T这个公式，实验值在方面与其吻合的比拟好，曲线斜率与理论值的误差也在承受范围内。另外，利用曲线拟合法处理实验指导手册上的数据得到：TdtC〔s/dt〕C〔理论值〕S〔理论值〕26.40.001267350.0458347.290.43984333.60.001252354.0998351.610.44021639.80.001243356.6637355.330.44167544.80.001236358.6837358.330.442896510.001226361.6093362.050.44387357.30.001213365.4847365.830.44375262.50.001208366.9975368.950.44569267.40.0012369.4442371.890.44626871.40.001191372.2359374.290.445779实验结论实验测得的结果和理论公式存在一定误差，处在可以承受的范围之内。由测得数据以及实验指导手册提供的数据来看，本实验在仪器运行完好的情况下，能较好的验证c–T线性关系。从图像中也可以看出，实测数据都较好地吻合了线性方程图像的特征。【实验二】超声波干预与衍射现象的探究实验概述衍射〔Diffraction〕又称为绕射，波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。对于光而言，如果采用单色平行光，则衍射后将产生干预结果。相干波在空间*处相遇后，因位相不同，相互之间产生干预作用，引起相互加强或减弱的物理现象。衍射的条件，一是相干波〔点光源发出的波〕，二是光栅。衍射的结果是产生明暗相间的衍射花纹，代表着衍射方向〔角度〕和强度。为了使光能产生明显的偏向，必须使"光栅间隔〞具有与光的波长一样的数量级。用于可见光谱的光栅每毫米要刻有约500到500条线。显著的衍射产生的条件是:障碍物或小孔的尺寸与波的波长一样或略小。声波的波长数量级为米，而光波的波长数量级为微米，所以相比之下能使声波产生显著衍射的障碍物或小孔要多得多。本实验研究声波的干预和衍射。干预和衍射都是波所特有的重要性质，在日常生活中有许多有趣的现象其实本质就是干预和衍射。在本实验中，我们就以超声波为载体来对这两种波的性质做一些探究。声波的衍射现象比拟明显，而且产生较为连续、稳定的声波也比拟容易，而普通声波易受到环境干扰，且实验者要一直"忍受〞实验过程中发出的"噪音〞，所以我们采用超声波来完本钱实验。实验目的通过分析超声波发生衍射与干预现象时产生的数据和图像，验证波的性质。实验设备【硬件】〔连接图见图1-1〕1、超声波发生器：超声波发生器可以用来发生频率为40HZ左右的超声波。可以发射连续的方波，也可以发射断续的方波。超声波发生器实际上是一个将电压转化为超声波的装置〔电压已由装置内的电池提供〕，其功能恰与超声波接收装置相反；2、超声波接收器：该仪器可以把接收到的超声波按强度转化为电压信号，其功能类似一个传感器，有不止一种转化模式，而且在一定的范围内可以调节转化比率；3、共鸣器:可以用来发射超声波,也可用来接收超声波,这取决于与它连接的装置。当与超声波发生器连在一起时,超声波从共鸣器中发出；当与超声波接收器连在一起时,超声波由共鸣器接入；4、信号采集器：该装置可将实验装置与电脑软件联系起来，是最重要的实验仪器之一。它有两个采集接口，可以按实验的需要采集两组不同的数值，可以是电压值、电阻值，也可以是温度值等；5、综合电源：提供可调的电压和电流，用来驱动旋转实验台；6、旋转实验台：该装置实际上是一个旋转底座。在综合电源的驱动下，它可以以一定的速率〔正比于驱动电源的电压值〕匀速旋转，它有一个输出端，输出正比于旋转角度的电阻值，这样实验处理软件就可以按接收到的电阻值来确定其旋转角度；7、示波器：检测信号、显示波形，以便实验中调整超声波接收器及发生器上的电阻。此外，实验中还用到的仪器有干电池、发声喇叭、声波反射装置等。【软件】本实验采用与CASSY公司的硬件设备相配套的软件CASSYLAB来记录和处理有关数据。图1-1实验装置连线图实验内容超声波实验主要包含三局部：直线传播、干预、衍射。这三局部的实验设置与实验步骤根本一样，其中干预实验时需要将两个发射端共鸣器放在旋转实验台上，而衍射实验时要将声波反射装置和接收端共鸣器安装在旋转实验台上。下面以干预实验为例介绍实验步骤。实验步骤连接电路：按图1-1所示接好电路〔这时共鸣器3-2是接收器，3-1是两个发生器〕。将声波反射装置取下,把两个共鸣器放在旋转实验台上。注意将两个发射端共鸣器接在同一个超声波发生器上(这样才能产生两列相干波),调整两个发射端使其等高；调整接收端共鸣器,使其与发射端等高,并使接收端与两发射端的中心在一条直线上。实验仪器的设置：超声波发生器:将波形置为连续方波；超声波接收器:将幅度旋钮调至最小,波形选择为~(正弦)；翻开综合电源,将电流值调到最小；3、翻开实验处理软件,按照实验指导书进展参数和模式的设置，熟悉软件环境和各选项功能。4、翻开超声波发射器与超声波接收器,翻开电压窗口。慢慢调节超声波发射器的频率旋钮,同时观察电压值的变化。选择使电压值最大的频率；5、手动将底座向左旋转九十度；6、将综合电源的电流值适当调大,这时底座开场匀速旋转(可以通过改变综合电源的电压值来调节转速)。按下F9,开场记录实验数据；当底座旋转到右方九十度左右时,再次按下F9,停顿记录数据；7、如果图像在屏幕上分布比拟均匀居中,则可直接按F2保存数据；如果数据集中在一个小区域内,则可通过改变坐标刻度进展处理。具体操作如下:右击竖条区域,在弹出来的对话框内通过改变Minimum和Ma*imum来改变U的刻度。同理可通过右击下方的横条区域来改变R的刻度；8、分别选择发射器与接收器相距1米、2米和3米的距离重复上述实验。考前须知1、尽管上面已提到超声波与普通声波相比抗干扰能力更强一些，但由于实验过程中的信号较弱，所以也会有很多因素将对实验产生影响，比方其他声源的发声、实验台的震动等。因此在实验的过程中要保持实验室的安静，实验台的稳定，同时尽量让其他声源远离两端的共鸣器〔这包括人的说话声〕；2、超声波接收器可以调节声波信号到电压信号的转化比率，但这只能在一个很小的范围内调节。如果发现电压值不是连续变化，而是不断的发生跳变〔这可以从图象中看出〕，则应将转化比率调小一些；建议实验中将转化比率调至最小，即将超声波接收器的幅度旋钮调到最左边；3、实验过程中如果发现图象向回弯折，说明电阻值发生了跳变，这时可以将求电阻平均值的间隔时间调得更长一些。如果图象上仍然有明显的偏差，建议更换旋转实验台；4、如果电路连接正确，各元器件开关已开，但接收端共鸣器接收不到发射端发出的超声波〔表现为UB1值不随旋转实验台的旋转角度而变化〕，则可以将接收端共鸣器移近发射端，再慢慢移开；也可以再取一个发射端，近距离对着接收端发射超声波后，再移开〔可以称之为"引收〞〕。实验数据记录超声波传播方向性的研究超声波的干预研究根据两个超声波发生器之间距离的远近不同，分别分为"近距干预〞和"远距干预〞两组实验。近距干预远距干预超声波的衍射研究根据狭缝数目的不同，该实验又分为双缝衍射、四缝衍射和六缝衍射三组实验。双缝衍射四缝衍射六缝衍射超声波反射效率的研究不同材料对于超声波反射效率的研究，分为两组实验，采用的材料分别为硬纸板和塑料板。为了防止其他相关变量的影响，分别采用了不同颜色的纸板和塑料进展相应分组比照实验，最后又对透明性材料进展了实验，以补充材料透明性对于超声波反射效率影响的探讨。不同材料〔硬纸板和塑料板〕对于超声波的反射=1\*romani.红色硬纸板和塑料板对超声波的反射〔红色纸板〕〔红色塑料〕=2\*romanii.黄色硬纸板和塑料板对超声波的反射〔黄色纸板〕〔黄色塑料〕透明性材料对于超声波的反射不同颜色塑料板〔具有不同透明程度〕对超声波的反射绿色塑料浅蓝色塑料实验结果分析超声波方向性实验所得数据图片中的电压峰值，对应于超声波接收器接收到的超声波强度最大的时刻，在该位置上，超声波发生器与接收器两者在一条直线上，说明超声波具有很好的方向性。多缝衍射本实验外界因素干扰效果比拟明显，致使多缝衍射所得到的曲线图像并不光滑，有较多小波动，设备自身精度、支架高度，以及周围反射物的影响都可能导致扰动的产生。但是总体说来，图像整体将衍射的吧特性还是非常明显的表现出来，尤其是但在二级主极大以内的区域，图像效果较理想。实验所得图像也验证了，在多缝衍射中，狭缝数目〔n〕