声速测量实验报告材料

1、声速测量实验报告实验目的1.学习如何测量超声波在空气中的传播速度。2.理解驻波和振动合成的理论。3.学会使用差分方法进行数据处理。4.了解压电换能器的功能，培养综合运用仪器的能力。实验仪器信号发生器、双踪示波器、声速测试仪。实验原理声波传播速度与声波频率和波长的关系是：可以看出，只要测量声波的频率和波长，就可以计算出声速。它可以从声源的振动频率中获得，所以实验的关键是如何测量声波的波长。根据超声波的特性，实验中可以采用驻波法和相位法来测量超声波的波长。1.驻波法(共振干涉法)如右图所示，在实验中，信号发生器输出的正弦电压信号连接到发射超声换能器，发射超声换能器通过电声转换将电压信号转换成超声波

2、，并以超声波的形式发射出去。接收换能器通过声-电转换将声信号转换成电压信号，然后将其发送到示波器进行观察。根据声波传播理论，具有一定频率的平面声波从发射换能器发射，并通过空气到达接收换能器。如果接收面和发射面严格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波和反射波相互干涉形成驻波。此时，两个换能器之间的距离正好等于声波半波长的整数倍。在声学驻波中，波腹处的声压(由于声学干扰而超过静态大气压力的空气中的压力)最小，而节点处的声压最大。当接收换能器的反射界面为节点时，声压效应最大，由接收器转换成电信号后从示波器上观察到的电压信号幅度也最大，因此可以从接收换能器端面声压的变化来判断是否形成超声波驻波。移

3、动游标卡尺和改变两个传感器端面之间的距离将在一系列特定距离的介质中导致稳定的驻波共振现象。此时，两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍。当最大电压值出现两次相邻(即接收器位于节点处)时，只要我们监控接收传感器输出电压幅度的变化并记录测径读数(两次读数之间差值的绝对值等于半波长)，超声波在空气中的传播就可以根据以下公式计算：2.相位比较法实验接线如下图所示。波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。在声波传播的方向上，所有粒子的振动相位一个接一个地滞后，并且每个点的振动相位随时间而变化。声波源和接收点之间存在相位差，这可以通过比较接收换能器输出的电信号和发射换能器输入的正弦交流电压信号之间的相位

4、相关性来获得，并且可以通过示波器的李萨如图来观察。相位差、角频率和传播时间t之间有以下关系：同时，还有、(其中t是周期)代入上述公式：当(n=1，2，3，)，这是可以获得的。从上述公式可知，当接收点与波源之间的距离变化一个波长时，接收点与波源之间的相位差也正好变化一个周期(即=2)。在实验中，通过改变发射器和接收器之间的距离来观察相位变化。当相位差改变时，相应的距离改变半个波长。波速可以根据波长和频率来计算。3.超声波在下图中，两个换能器的核心部件(压电片)由压电材料(如应时、锆钛酸铅陶瓷等)制成。)，其具有正压电效应(在应力下在两个电极之间产生不同的电荷，并且在两个电极之间产生电势差)和逆压

5、电效应(当在压电材料的两端之间施加电压时会产生应变)。利用可逆效应，由压电材料制成的压电换能器可以实现声能和电能的相互转换。当左压电换能器S1处于交变电场中时，通过利用逆压电效应，电能可以被转换成作为声波发生器的声能。另一方面，右边的压电换能器S2利用正压电效应将接收到的声振动转换成作为声波接收器的电振动。实验内容1.使用驻波法(共振法)测量声速：按图连接装置，将信号源调整到压电陶瓷换能器的固有频率，用“Y2”作为示波器的叠加方式，选择“Y2”或“Y1/Y2”作为内部触发电源，不断改变接收器位置，观察声压变化与接收器位置的关系，然后测量超声波波长。2.使用相位比较法(李萨如图形法)测量声速：按

6、图连接仪器设备，示波器叠加方式为“交替”或“间歇”，选择“Y2”作为内部触发电源，按示波器的“X-Y”键，改变接收器位置，通过李萨如图形测量超声波波长。数据处理1.驻波法(共振干涉法)数据手册1=37.022千赫项目S2坐标(毫米)X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18X19X2024.02728.69633.26838.97342.64147.37552.15257.86262.56866.22871.97176.87380.47285.19889.70294.66599.248104.842109.143113.792循序渐进(10)X1

7、1-X1X12-X2X13-X3X14-X4X15-X5X16-X6X17-X7X18-X8X19-X9X20-X1047.94448.17747.20446.22547.06147.29047.12346.98046.57547.5649.58889.63549.44089.24509.41229.45809.42469.39609.31509.5128平均9.44286按照分步数据处理方法，先计算平均值，然后计算标准差，仪器误差取=0.001毫米；合成不确定性对于频率，只有等级不确定性不确定性结果：2.相位比较法数据手册2=37.022 khz项目S2坐标(毫米)X1X2X3X4X5X6X

8、7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18X19X2085.15395.359105.869114.261123.548133.959141.377151.721161.069170.524179.714189.052198.484208.893217.312226.520236.012245.341254.640265.137循序渐进(10)X11-X1X12-X2X13-X3X14-X4X15-X5X16-X6X17-X7X18-X8X19-X9X20-X1094.56193.36392.61594.63293.76492.56193.63593.62093.5719

9、4.6139.45619.33639.26159.46329.37649.25619.36359.36209.35719.4613平均9.36935按照分步数据处理方法，先计算平均值，然后计算标准差，仪器误差取=0.001毫米；合成不确定性对于频率，只有等级不确定性不确定性结果：相关知识机械振动在介质中的传播称为机械波。声波就是这样的机械波。人耳能听到的声波称为可听声波，频率在20Hz到20Hz之间，频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20Hz的声波称为超声波。声波在介质中的传播速度取决于介质的性质，通过测量声速可以研究介质性质和状态的变化。然而，在实际测量中，并不是所有的声波频率都可以测量。次声波因其频率低、波长大而难以测量。可听声波干扰很大。只有超声波适合测量。由于其良好的方向性和集中的能量，频率高于20千赫的超声波信号实际上是被测量的。注意事项1.正确使用信号发生器和示波器；在实验中，信号源的输出通常被调整到大约峰峰值v。2.当用声速测量仪测量波长时，应注意在一