聲速的測定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、聲速的測定實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)會用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。（2）進(jìn)一步掌握示波器、低頻信號發(fā)生器的使用方法。（3）學(xué)會用逐差法處理數(shù)據(jù)。2、實(shí)驗(yàn)儀器超聲聲速測定儀、低頻信號發(fā)生器DF1027B、示波器ST16B。3、實(shí)驗(yàn)原理31 實(shí)驗(yàn)原理 聲速V、頻率f和波長之間的關(guān)系式為。如果能用實(shí)驗(yàn)方法測量聲波的頻率f和波長，即可求得聲速V。常用的測量聲速的方法有以下兩種。32 實(shí)驗(yàn)方法321 駐波共振法（簡稱駐波法）發(fā)出的超聲波和反射的超聲波在它們之間的區(qū)域內(nèi)相干涉而形成駐波。當(dāng)波源的頻率和駐波系統(tǒng)的固有頻率相等時(shí)，此駐波的振幅才達(dá)到最大值，此時(shí)的頻率為共振頻率。駐波系統(tǒng)的固有頻

2、率不僅與系統(tǒng)的固有性質(zhì)有關(guān)，還取決于邊界條件，在聲速實(shí)驗(yàn)中，、即為兩邊界，且必定是波節(jié)，其間可以有任意個(gè)波節(jié)，所以駐波的共振條件為： （1）即當(dāng)和之間的距離L等于聲波半波長的整數(shù)倍時(shí)，駐波系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，駐波振幅最大。在示波器上得到的信號幅度最大。當(dāng)L不滿足（1）式時(shí)，駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)，駐波振幅隨之減小。移動，可以連續(xù)地改變L的大小。由式（1）可知，任意兩個(gè)相鄰共振狀態(tài)之間，即所移過的距離為： （2）可見，示波器上信號幅度每一次周期性變化，相當(dāng)于L改變了。此距離可由超聲聲速測定儀上的游標(biāo)卡尺測得，頻率可由低頻信號發(fā)生器上的頻率計(jì)讀得，根據(jù)，就可求出聲速。322 兩個(gè)相互垂直諧振動的合成法

3、（簡稱相位法）在示波器熒光屏上就出現(xiàn)兩個(gè)相互垂直的同頻率的諧振動的合成圖形稱為李沙如圖形。其軌跡方程為： （5）在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當(dāng)相位差時(shí)，由（5）式，得，即軌跡為一條處在于第一和第三象限的直線參見圖162(a)。當(dāng)時(shí)，得，軌跡為以坐標(biāo)軸為主軸的橢圓當(dāng)時(shí)，得，軌跡為處于第二和第四象限的一條直線。改變和之間的距離L，相當(dāng)于改變了發(fā)射波和接受波之間的相位差（），熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個(gè)波長（即，位相差就變化。隨著振動相位差從0的變化，李沙如圖形就按圖162(a) （b）(c)變化。因此，每移動半個(gè)波長，就會重復(fù)出現(xiàn)斜率符號相反的直線。測得波長和頻率f，根據(jù)，就

4、可計(jì)算出聲速。4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 熟悉聲速測定儀該儀器由支架、游標(biāo)卡尺和兩只超聲壓電換能器組成。兩只超聲壓電換能器的位置分別與游標(biāo)卡尺的主尺和游標(biāo)相對定位，所以兩只換能器相對位置距離的變化量可由游標(biāo)卡尺直接讀出。兩只超聲壓電換能器，一只為發(fā)射聲波用（電聲轉(zhuǎn)換），一只為接收聲波（聲電轉(zhuǎn)換），其結(jié)構(gòu)完全相同。發(fā)射器的平面端面用以產(chǎn)生平面聲波；接收器的平面端面則為聲波的接收面和反射面。壓電換能器產(chǎn)生的波具有平面性、單色性好以及方向性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)可以控制頻率在超聲波范圍內(nèi)，使一般的音頻對它沒有干擾。（2） 駐波法測量聲速 1）按圖接好線路，把換能器S1引線插在低頻信號發(fā)生器的“功率輸出孔”，把換能器

5、S2接到示波器的“Y input”。 2）打開電源開關(guān)，把頻率倍乘按鈕10K壓入，調(diào)節(jié)幅度電位器，使數(shù)碼顯示屏讀數(shù)5-8V電壓,電壓衰減按鈕為20dB；波形選擇為正弦波（彈出狀態(tài)）。 3）壓入示波器電源開關(guān)，把示波器Y衰減開關(guān)VOLTS/DIV置0.5v檔，Y輸入方式置AC位。掃描檔TIME/DIV為20us，觸發(fā)源（觸發(fā)TRIG）選擇“內(nèi)同步INT”；觸發(fā)方式為“自動”。 4）移動S2位置，目測S1與S2的距離為3cm左右，調(diào)整低頻信號發(fā)生器的“頻率調(diào)節(jié)”波段開關(guān)，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)電位器，使數(shù)碼顯示屏的頻率讀數(shù)為34.00036.000KHz范圍。觀察示波器，當(dāng)屏幕的波形幅度最大時(shí)，說明換能器S

6、1處于共振狀態(tài)。記下頻率f值（實(shí)驗(yàn)過程中，頻率f不許改變，否則影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）。 5）示波器熒幕的波形若不在中央，可調(diào)節(jié)垂直或水平位移電位器；波形太?。赡懿环€(wěn)定）或太大，可調(diào)節(jié)Y增益電位器VARIABLE，使波形幅度適中。6）注意：實(shí)驗(yàn)過程中不要用手觸摸兩個(gè)換能器，以免影響測量精確性。 7）向右稍移S2，并調(diào)整游標(biāo)卡尺的微調(diào)螺絲，同時(shí)觀察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超過屏幕，可調(diào)整Y增益VARIABLE，使波形滿屏。記下S2的初始位置L0。 8 由近至遠(yuǎn)慢慢移動接收器S2，逐個(gè)記下九個(gè)幅度最大的位置（即Li值）。（3） 相位法測聲速 1）把示波器觸發(fā)方式選擇“外接”。 2）把示波器的

7、“Y input”接超聲波測速儀的接收器S2,示波器“X輸入”聯(lián)接到低頻信號發(fā)生器的電壓輸出（不能接同步輸出）。 3）把S2調(diào)回距S1大約3cm，移動接收換能器S2，調(diào)節(jié)游標(biāo)卡尺微調(diào)螺絲，同時(shí)觀察示波器的圖形變化，使圖形為“/”，記下S2初始位置LO。 4）由近至遠(yuǎn)，慢慢移動S2,并注意觀察圖形變化，逐下記下每發(fā)生一次半周期變化（即圖形由“/”直線變到“”直線）接收換能器S2的位置讀數(shù)Li值，共測十個(gè)數(shù)據(jù)。5）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)掉電源，整理好儀器5、實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)1）駐波法測量聲速 共振頻率=34.583KHz表1 駐波法測量波長的測量數(shù)據(jù)次序次序193.726119.5425.820.012298.847124.7025.860.0283104.028129.9025.880.0484109.229135.0225.800.0325114.3810140.1825.800.032逐差法處理表1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差=0.036合成不確定度為頻率不確定度聲速的相對不確定度聲速的計(jì)算 聲速不確定度為室溫時(shí)聲速結(jié)果表達(dá)式：2）相位法測量聲速參考駐波法。6