文档声速的测量

物理实验报告一、【实验名称】超声波声速的测量二、【实验目的】1、了解声速的测量原理2、学习示波器的原理与使用3、学习用逐差法处理数据三、【仪器用具】1、SV-DH-3型声速测定仪段2、双踪示波器3、SVX-3型声速测定信号源四、【仪器用具】1.超声波与压电陶瓷换能器频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。图1纵向换能器的结构简图压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图1为纵向换能器的结构简图。2.共振干涉法（驻波法）测量声速假设在无限声场中，仅有一个点声源S1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。在上述假设条件下，发射波ξ1=Acos（ωt+2πx/λ)。在S2处产生反射，反射波ξ2=A1cos（ωt+2πx/λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A1＜A。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加，合成波束ξ3ξ3=ξ1+ξ2=(A1+A2）cos（ωt-2πx/λ)+A1cos（ωt+2πx/λ)=A1cos(2πx/λ)cosωt+A2cos（ωt-2πx/λ)由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx/λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx/λ)呈周期变化的特性。图4所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx/λ)变化的特征。图2换能器间距与合成幅度实验装置按图7所示，图中S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1和S2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。移动S2位置（即改变S1和S2之间的距离），你从示波器显示上会发现，当S2在某此位置时振幅有最小值。根据波的干涉理论可以知道：任何进行调节，使在示波器上获得稳定波形。超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出合适的电压（8～10VP-P之间）调整信号频率（在25～45kHz），～观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5～37.5kHz之间）电压幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，记录频率FN，改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重新调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率f。2.3测量步骤将测试方法设置到连续波方式，合适选择相应得测试介质。完成前述2.1、2.2步骤后，观察示波器，找到接收波形的最大值。然后转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，记录下幅度为最大时的距离Li-1，距离由数显尺（数显尺原理说明见附录2）或在机械刻度上读出，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离Li。即有：波长λi=2│Li-Li-1│，多次测定用逐差法处理数据。3.相位法/李萨如图法测量波长的步骤将测试方法设置到连续波方式，合适选择相应的测试介质。完成前述2.1、2.2步骤后，将示波器打到“X-Y”方式，并选择合适的通道增益。转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记录下此时的距离Li-1；距离由数显尺（数显尺原理说明见附录2）或机械刻度尺上读出，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，记录下此时的距离Li。即有：波长λi=│Li-Li-1│4.干涉法/相位法测量数据处理已知波长λi和频率fi，（频率由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。）则声速Ci=λi×fi。因声速还与介质温度有关，所以必要时请记下介质温度t℃。5.时差法测量声速步骤图6时差法测量声速接线图按图6所示进行接线。将测试方法设置到脉冲波方式，并选择相应的测试介质。将S1和S2之间的距离调到一定距离（≥50mm），再调节接收增益，使显示的时间差值读数稳定，此时仪器内置的计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和信号源计时器显示的时间值Li-1、ti-1。移动S2，如果计时器读数有跳字，则微调（距离增大时，顺时针调节；距离减小时，逆时针调节）接收增益，使计时器读数连续准确变化。记录下这时的距离值和显示的时间值Li、ti。则声速Ci=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。六、【注意事项】1．严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将液体滴到数显尺杆和数显表头上。2．使用时应避免声速测试仪信号源的功率输出端短路。3．声速测量仪上的手轮只能向一个方向旋转，不然要出现空回误差。七、【数据处理】1．驻波共振法FN=37.395KHz项目S2坐标/mmX1X2X3X4X5X6X7X8X9X1043.11847.57852.26056.91661.43866.07270.55075.25279.92984.400X11X12X13X14X15X16X17X18X19X2090.02793.62098.195102.894107.406112.048116.490121.215125.902130.420逐差（10ΔX）X11-X1X12-X2X13-X3X14-X4X15-X546.90946.04245.93545.97845.968X16-X6X17-X7X18-X8X19-X9X20-X1045.97645.94045.96345.97346.020λ（λ/2=ΔX）9.3829.2089.1879.1969.1949.1959.1889.1939.1959.204λ的平均值9.2142.相位比较法FN=37.395KHz项目S2坐标/mmX1X2X3X4X5X6X7X8X9X1040.08149.25859.33369.01176.31485.13294.345103.542113.094122.388X11X12X13X14X15X16X17X18X19X20131.582140.828150.238159.542168.705178.064187.116196.285205.594214.225逐差（10ΔX）X11-X1X12-X2X13-X3X14-X4X15-X591.50191.57090.90590.53192.391X16-X6X17-X7X18-X8X19-X9X20-X1092.93292.77192.74392.50091.837λ（λ=ΔX）9.1509.1579.0919.0539.2399.2939.2779.2749.2509.184λ的平均值9.197数据处理：1）驻波共振法数据处理如下：FN=37.612KHz对于波长γ，SγB类不确定度QUOTE∆仪=0.001mm错误!未找到引用源。;合成不确定度QUOTEUγ=（Sγ）对于频率QUOTEf错误!未找到引用源。，只有B类不确定度QUOTE∆仪=0.001KHz;错误!未找到引用源。V=lnV的不确定度QUOTEUV=UVr*V结果表达式：QUOTEV=V±UV=错误!未找到引用源。344.5613QUOTE±错误!未找到引用源。12.11m/s QUOTEUV=错误!未找到引用源。12.11m/s2）相位比较法数据处理如下：对于波长γ，SγB类不确定度QUOTE∆仪=0.001mm错误!未找到引用源。;合成不确定度QUOTEUγ=（Sγ）对于频率QUOTEf错误!未找到引用源。，只有B类不确定度QUOTE∆仪=0.001KHz;错误!未找到引用源。V=lnV的不确定度QUOTEUV=UVr*V结果表达式：QUOTEV=V±UV=错误!未找到引用源。344.5613QUOTE±错误!未找到引用源。11.35m/s QUOT