超声法测量声速

物理仿真实验报告实验名称超声法测量声速学院专业组别学号姓名实验时间摘要：在弹性介质中，频率从20Hz到20kHz的振动所激起的机械波称为声波，高于20kHz，称为超声波，超声波的频率范围在2×104-5超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度，它是非电量电测方法的一个例子。关键词：超声波，波长，声速，拓展性，准确性，方便性实验仪器：示波器，超声声速测定仪，信号发生器，导线若干等一、实验原理：由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v=

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：φ=2πx/λ，其中是波长，x为S1和S2之间距离二、实验步骤：1.主窗口：正确进入超声波测声速实验场景窗体，如图图1实验场景：图1实验场景2.仪器调节(1)超声声速测定仪调节，在场景中双击超声声速测定仪图标，可以进人超声声速测定仪调节窗体。图2超声声速测定仪调整换能器与水平方向的夹角，左击换能器，可以使换能器向上旋转。右击换能器，可以使换能器向下旋转。调节两个换能器之间的距离，可以拖动可移动换能器改两个换能器之间的距离，也可以通过窗体上方的微调按钮，向左或向右微调两个换能器之间的距离。通过窗体下方的大标尺，可以准确读出当前可移动换能器的距离。(2)示波器调节，测示波器校准信号周期连接示波器CH1（或CH2）和示波器校准信号，如图3所示。校准信号为周期1KHz,峰峰值为4V的对称方波信号。双击示波器，打开示波器调节界面。图3示波器调节连线图4示波器调节界面(3)信号发生器调节，选择超声波频率，约35KHZ，选择合适的波幅，输入正弦波。图5场景中的信号发生器图6信号发生器调节界面3．按相位法测声速原理，正确连线。从实验场景中可以看出，示波器上有三个黑色的接线柱、超声声速测定仪上有两个接线柱、在信号发生器上有一个接线柱。把鼠标移到相应的接线柱上，按下并拖动，随着鼠标的拖动一条线便会被画出，当鼠标移动另一个接线柱上（或是此接线柱的一定范围），松开鼠标，如果连接合法，此线便会保留，不合法，连线失败，系统会弹出对话框，提示此连接为非法连接。图7相位比较法仪器连接相位法由于两个换能器间有距离，这样在两个换能器处的信号有一相位差。当换能器间距离改变一个波长时，相位差改变2π。图8李萨如图像4.记录数据测量数据，从屏上直线出现为起点，缓慢增加移动磁鼓的位置，依次记录下屏上每次出现直线时所对应的X1,X2,…,X10共10个值；再缓慢地减少间距X，记录下次出现直线时所对应的X1’,X2’,…,X10’共10个值。用逐差法处理数据，计算出波长。 图9记录数据窗体5.利用公式V=f×λ，计算声速。三、注意事项：1．调整仪器使系统处于最佳工作状态。2．用相位比较法测波长和声速。3．确保换能器S1和S2端面的平行。4．信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率f0保持一致。四、实验数据处理：信号发生器输出信号的频率（HZ）36500.0内容12345678910移动磁鼓的位置Xn(mm)51.1855.9060.5065.1269.0074.5079.2083.8088.4493.10移动磁鼓的位置Xn,(mm)51.1455.9260.4665.1069.0074.5279.2283.8088.4093.10平均值（mm）51.1655.9160.4865.1169.0074.5179.2183.8088.4293.10逐差法处理数据可以得到波长的大小为9.28mm根据测量数据，利用声速计算公式，计算出声速v=338.72(m/s)不确定度Ev=（338.72-346.30）/346.30*100%=2.2%五、实验反思在误差允许的范围内，利用物理仿真平台得到的实验值接近于理论值，由此可知仿真平台能有效地提高地提高测量数据的准确性，同时分析认为其拓展方面更加全面和完善。物理实验仿真平台提供