大学物理实验超声波速测量实验报告

1、大学物理实验超声波速测量实验报告一实验目得1. 了解超声波得物理特性及其产生机制；2. 学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据；3. 测量超声波在介质中得吸收系数及反射面得反射系数；4. 并运用超声波检测声场分布。5. 学习超声波产生与接收原理，6. 学习用相位法与共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。7. 观察与测量声波得双缝干涉与单缝衍射二实验条件HLD SV-II 型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪三实验原理1、超声波得有关物理知识声波就是一种在气体 .液体、固体中传播得弹性波。 声波按频率得高低分为次声波 ( 20H ）、声波（ 0Hz 2 z）、超声波

2、（ 20 Hz)与特超声波 ( 10MH ），如下图。声波频谱分布图振荡源在介质中可产生如下形式得震荡波：横波 :质点振动方向与传播方向垂直得波,它只能在固体中传播。纵波 :质点振动方向与传播方向一致得波,它能在固体、液体、气体中得传播。表面波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播得波, 介质表面得质点做椭圆得振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度得增加衰减很快.板波：在板厚与波长相当得弹性薄板中传播得波，可分为SH 波与兰姆波。超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特得特点：绕射现象小,方向性好 ,能定向传播 ; 能量较高 ,穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或

3、固体中以更高得频率传得更远 ,而且在液体里得衰减与吸收就是比较低得；能在异质界面产生反射、折射与波形转换。2、理想气体中得声速值声波在理想气体中得传播可认为就是绝热过程，因此传播速度可表示为（1）式中为气体普适常量（R=8、3 4/(mol 、）, 就是气体得绝热指数（气体比定压热容与比定容热容之比）, 为分子量，为气体得热力学温度，若以摄氏温度t 计算，则：代入式 (1) 得，(2）对于空气介质，时得声速 =331、45/s . 若同时考虑到空气中得蒸汽得影响，校准后声速公式为 :(）式中为蒸汽得分压强, p 为大气压强。、共振干涉法设有一从发射源发出得一定频率得平面声波, 经过空气传播，到

4、达接收器，如果接收面与发射面严格平行， 入射波即在接收面上垂直反射, 入射波与反射波相干涉形成驻波, 反射面处为位移得波节。 改变接收器与发射源之间得距离, 在一系列特定得距离上, 媒质中出现稳定得驻波共振现象。此时, 等于半波长得整数倍，驻波得幅度达到极大；同时，在接收面上得声压波腹也相应地达到极大值。不难瞧出，在移动接收器得过程中, 相邻两次达到共振所对应得接收面之间得距离即为半波长. 因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间得距离（), 就可以用计算声速。声压变化与接收器位置得关系：4、相位比较法发射波通过传声媒质到达接收器, 所以在同一时刻, 发射处得波与接

5、收处得波得相位不同，其相位差可利用示波器得李萨如图形来观察。与角频率、传播时间之间有如下关系 :同时有：,（式中 T 为周期），代入上式可求得声速。得确定用如下方法：根据当时，得 .实验时， 通过改变发射器与接收器之间得距离, 可观察到相位得变化。而当相位差改变时，相应得距离得改变量即为半个波长。为精确测定波长得值，在实际得操作中要连续测多个相位改变得点得坐标，再用逐差法算出波长得值,根据波长与频率值可求出声速。行波法相位差图:声速测量及声波得双缝干涉与单丝衍射由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点, 所以在超声波段进行声速测量就是比较方便得。 本实验用共振干涉法与相位比较法测量声音

6、在空气中传播得声速；并研究声波双缝干涉， 单缝衍射及声波得反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学得物理规律与基本概念有更深得理解。6、声波得干涉与衍射双缝干涉实验装置如图1 所示 . 对于不同得角，如果从双缝到接收器得程差就是零或波长得整数倍，就会产生相长干涉，因而观察到干涉强度得极大值; 当程差就是半波长得奇数倍时，干涉强度有极小值。因此, 干涉强度出现极大值与极小值得条件如下：极大值：(4)极小值：(5 ）式中， n 为零或整数， d 为二个缝中心位置得距离, 为声音得波长 .dra图衍射效应用超声波也可以观察到, 采用 1 个单缝 , 如图所示。 当来自单缝得一半得辐射与来

7、自另一半得辐射相差半波长奇数倍时，会产生相消干涉, 因此相消干涉条件就是：（ 6)式中 , n=0， 1， 2， , a 为单缝缝宽，为接收器离中心位置转过角度。ar图 2三、实验内容( 一）：声音在空气中传播速度测量1、调整测试系统得谐振频率按图将实验装置接好. 正弦波得频率取40K z，调节接收换能器尽可能近距离，且使示波器上得电源信号为最大。然后, 将两个换能器分开稍大些距离( 约 5 6），使接收换能器输入示波器上得电压信号为最大. 再调节频率， 使该信号确实为该位置极大值. 此时信号源输出频率才最终等于二个换能器得固有频率。在该频率上，换能器输出较强得超声波。2、在谐振频率处用共振法

8、与相位法测声速。当测得一声速极大值后 , 连续地移动接收端得位置 , 测量相继出现 20 个极大值所相应得各接收面位置 , 再用逐差法求波长值。在用相位比较法时, 将接收器与示波器得轴相连，发射器与示波器轴相连, 即可利用李萨如图形来观察发射波与接收波得相位差, 适当调节轴与X 轴灵敏度 , 就能获得比较满意得李萨如图形. 对于两个同频率互相垂直得简谐振动得合成, 随着两者之间相位差从0- 变化 , 其李萨如图形由斜率为正得直线变为椭圆, 再由椭圆变到斜率为负得直线。记录游标卡尺上读数时 , 应选择李萨如图形为直线时所对应得位置。每移动半个波长，就会重复出现斜率正负交替得直线图形.、本实验温度

9、应正确仔细地测量 ( 为什么？），并测出温度计干泡温度与湿泡温度 , 查表得到该状态下得 值 , 再测得实验室当时得气压值 p, （干燥天气可不必测量与 ) （详见参考资料 1 与 3），则可由式（ 3）求出声速值。4、将上述两种方法得测量结果比较，计算相对偏差.选做实验：（设计性实验)（二）声波得双缝干涉用图所示双缝装置来做干涉实验。实验须满足公式(4 ）与公式 (5 ）条件。为了减少由于两个缝处得衍射所引起得复杂性。简单得办法就是每个缝宽度均小于1 个波长（约89mm为一个波长) ，缝宽仅2 m , 而两个缝相隔为几个波长, （实际使用双缝间距约为3 倍波长) 。这时，测量出主极大，次极大

10、与极小值得位置. 要观察更多极大值与极小值位置, 须将固定螺丝卸下，放好后。转动更大角度观察到。（三 ) 声波得单缝衍射用图所示双缝装置来做观察声波得单缝衍射实验( 注意卸下固定螺丝必须保管好）.体会声波衍射得物理含义。将转动紧固螺丝卸下( 注意螺丝与螺帽不能掉) 放在纸盒内。将接收器绕轴心转动, 可以观察接收信号在不同角位置时强度得变化，由公式（6）可估算一级极小值得角度. 可以在满足公式（ 6）得条件下，观测到一级极小值。估算一下衍射就是否与理论值一致，转动更大角度时，可观测到一级极大值。四、使用注意事项1、仪器与装置连接得电缆线，不宜多拆、多接。角度固定螺丝也不宜让学生经常卸下。最佳方案就是配一套公用“声速测量综合实验仪”. 让学生学习接拆同轴电缆接头, 以及观测大角度时双缝干涉与单缝衍射，并备1 个大量角器.2、数显游标卡尺使用时，应轻轻移动，移动时速度须慢而均匀。实验结束时，应将数显部分电源关闭 .3、搬动