超聲波測聲速

1、物理仿真實驗報告班級姓名：學(xué)號：實驗名稱：超聲波測聲速一 實驗?zāi)康? 了解超聲波的發(fā)射和接收方法。2 加深對振動合成、波動干涉等理論知識的理解。3 掌握用駐波法和相位法測聲速。二 實驗儀器超聲聲速測定儀、函數(shù)信號發(fā)生器和示波器三 實驗原理由波動理論可知，波速與波長、頻率有如下關(guān)系： v = f ，只要知道頻率和波長就可以求出波速。 本實驗通過低頻信號發(fā)生器控制換能器， 信號發(fā)生器的輸出頻率就是聲波頻率。聲波的波長用駐波法（共振干涉法）和行波法（相位比較法）測量。下圖是超聲波測聲速實驗裝置圖。（ 1）駐波法測波長由聲源發(fā)出的平面波經(jīng)前方的平面反射后，入射波與發(fā)射波疊加， 它們波動方程分別是：疊加

2、后合成波為：各點振幅最大，稱為波腹，對應(yīng)的位置：（n=0,1,2,3 )各點振幅最小，稱為波節(jié)，對應(yīng)的位置：( n=0,1,2,3 )因此只要測得相鄰兩波腹（或波節(jié)）的位置Xn、Xn-1 即可得波長。（2）相位比較法測波長從換能器 S1發(fā)出的超聲波到達接收器S2，所以在同一時刻 S1 與 S2處的波有一相位差：其中是波長，x 為1和2之間距離)。因為 x 改變一個波長時，相位差就SS改變 2。利用李薩如圖形就可以測得超聲波的波長。四 實驗內(nèi)容及步驟1 接線首先選擇測量的方法， 然后開始連接測量電路， 如下頁圖 7所示。在示波器的 X 接口 , 示波器的 Y 接口 , 示波器的同步接口 , 信號

3、發(fā)生器的輸出端口 , 超聲速測定儀的左磁鼓 , 超聲速測定儀的右磁鼓和超聲速測定儀上標(biāo)上紅線的接口處可以連線。 連線時鼠標(biāo)選中上述接口， 然后按住不放， 拖到需要連接的另一接口后松開鼠標(biāo)。如果連線的兩端已有連線，則此操作將去掉連線。如果連接時，連線兩端尚未連接，則此操作在兩接口間連上接線。線路連接好后，鼠標(biāo)右鍵單擊，彈出主菜單，選中接線檢查。若連線正確，就可以正式開始實驗，否則需要繼續(xù)連線。2調(diào)整儀器通過接線檢查后，雙擊各儀器彈出其放大窗口，調(diào)整該儀器。（ 1）示波器的使用與調(diào)整使用示波器時候，請先調(diào)整好示波器的聚焦。然后鼠標(biāo)單擊示波器的輸入信號的接口，把信號輸入示波器。接著調(diào)節(jié)通道 1，2的

4、幅度微調(diào)，掃描信號的時基微調(diào)。最后選擇合適的垂直方式選擇開關(guān)， 觸發(fā)源選擇開關(guān)， 內(nèi)觸發(fā)源選擇開關(guān)， Auto-Norm-X-Y 開關(guān)，在示波器上顯示出需要觀察的信號波形。輸入信道的信號是由實驗線路的連接決定的。（ 2） 信號發(fā)生器的調(diào)整根據(jù)實驗的要求調(diào)整信號發(fā)生器，產(chǎn)生頻率大概在 35KHz左右，幅度為 5V 的一個正弦信號。 由于本實驗測聲速的方法需要通過換能器 （壓電陶瓷） 共振把電信號轉(zhuǎn)為聲信號， 然后再轉(zhuǎn)為電信號進行的， 所以在開始測量前需要調(diào)節(jié)信號的頻率為換能器的共振頻率。 在尋找共振頻率時， 通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的微調(diào)旋鈕，觀察示波器上信號幅度是否為最大來逐步尋找的。(3) 超聲速

5、測定儀的使用超聲速測定儀是由兩個換能器和游標(biāo)卡尺組成的，在超聲速測定儀中，左邊的換能器是固定的，右邊的換能器是與游標(biāo)卡尺的滑動部分連接在一起的。 這樣，左右換能器間的距離就可以通過游標(biāo)卡尺來測量出來，在上圖的下半部分是一個放大的游標(biāo)卡尺的讀數(shù)圖。當(dāng)把鼠標(biāo)移動到右邊的換能器上后，會出現(xiàn)“”標(biāo)志，表明此時可以移動。按下鼠標(biāo)左鍵，向左移動，按下右鍵，向右移動。移動的幅度可以通過“調(diào)節(jié)狀態(tài)”的“粗調(diào)”和“細調(diào)”來控制。3. 尋找到超聲波的頻率（就是換能器的共振頻率）后，只要測量到信號的波長就可以求得聲速。我們采用駐波法和相位比較法來測量信號波長:（ 1）駐波法信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號通過超聲速測定儀后，會

6、在兩個換能器件之間產(chǎn)生駐波。改變換能器之間的距離（移動右邊的換能器）時，在接收端 ( 把聲信號轉(zhuǎn)為電信號的換能器 ) 的信號振幅會相應(yīng)改變。當(dāng)換能器之間的距離為信號波長的一半時，接受端信號振幅為最大值。實驗中調(diào)節(jié)示波器的垂直方式選擇開關(guān)，觸發(fā)源選擇開關(guān)，內(nèi)觸發(fā)源選擇開關(guān)， Auto-Norm-X-Y 開關(guān)，使屏幕上顯示出接受端信號，圖見前面“調(diào)整儀器”中“示波器的使用與調(diào)整”部分。 然后，一邊移動右邊換能器， 一邊觀察示波器上的信號幅度。 當(dāng)信號幅度為最大值時， 通過放大的游標(biāo)卡尺讀出此時換能器間的距離。兩個相鄰的信號幅度最大時換能器間的距離差就是波長的一半。（ 2）相位比較法由于兩個換能器間

7、有距離， 這樣在兩個換能器處的信號有一相位差。 當(dāng)換能器間距離改變一個波長時，相位差改變 2 。實驗中調(diào)節(jié)示波器的垂直方式選擇開關(guān)，觸發(fā)源選擇開關(guān)， 內(nèi)觸發(fā)源選擇開關(guān)，Auto-Norm-X-Y 開關(guān)，使屏幕上顯示出兩個換能器端信號產(chǎn)生的李撒如圖 。然后，一邊移動右邊換能器， 一邊觀察示波器上的李撒如圖。 當(dāng)觀察到兩個信號的相位差改變 2 時，通過放大的游標(biāo)卡尺讀出此時換能器間的距離。五 實驗數(shù)據(jù)及處理超聲波的頻率為：千赫茲（ 1）駐波法n第1次第2次第3次第4次第5次第6次s/cm用逐差法測得波長為(3.541.94)(3.011.44)(2.480.98)21cm0.01m3聲波波速為： v33.7 10000.01 337m /s不確定度： maxi =(i=1,2,3)（ 2）相位法n第 1次第2次第3次第4次第5次第6次s/cm用逐差法測得波長為(6.04 3.01) (5.022.03) (3.95 1.05)0.00991m30.991cm3聲波波長為： v33.7 10000.00991334m /s不確定度： maxi=六 思考題1