大物實驗報告聲速測定

1、 聲速測定 引言：本實驗使用了超聲聲速測定儀、低頻信號發(fā)生器（DF1027B）、示波器（ST16B）設(shè)計了共振干涉法、相位比較法、時差法來進行超聲速的測定，并對實驗數(shù)據(jù)進行處理、分析，最終得出聲速，并與理論值進行比較。關(guān)鍵詞：聲速測定。Abstract:This experiment uses the ultrasonic velocity measurement instrument (DF1027B), low frequency signal generator, oscilloscope (ST16B) design the resonance interferometry, phas

2、e comparison method, the time difference method for supersonic were measured, and the experimental data processing and analysis, finally obtains the speed of sound, and compared with the theoretical value.一、實驗?zāi)康?、了解超聲波換能器的工作原理和功能；2、學(xué)習(xí)不同方法測定聲速的原理和技術(shù)；3、熟悉測定儀和示波器的調(diào)節(jié)和使用；4、測定聲速在空氣中的傳播速度。二、儀器設(shè)備ZKY_SS超聲聲速測

3、定儀、低頻信號發(fā)生器、示波器。3、 實驗原理由波動理論得知，聲波的傳播速度v與聲波頻率 和波長 之間的關(guān)系為 。所以只要測出聲波的頻率和波長，就可以求出聲速。其中聲波頻率可由產(chǎn)生聲波的電信號發(fā)生器的振蕩頻率讀出，波長則可用共振法和相位比較法進行測量。時差法可通過測量某一定間隔距離聲音傳播的時間來測量聲波的傳播速度。壓電陶瓷換能器本實驗采用壓電陶瓷換能器來實現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。它主要由壓電陶瓷環(huán)片、輕金屬鉛（做成喇叭形狀，增加輻射面積）和重金屬（如鐵）組成。壓電陶瓷片由多晶體結(jié)構(gòu)的壓電材料鋯鈦酸鉛制成。在壓電陶瓷片的兩個底面加上正弦交變電壓，它就會按正弦規(guī)律發(fā)生縱向伸縮，從而發(fā)出超聲波。同樣

4、壓電陶瓷可以在聲壓的作用下把聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號。壓電陶瓷換能器在聲電轉(zhuǎn)化過程中信號頻率保持不變。如圖1所示，S1作為聲波發(fā)射器，它把電信號轉(zhuǎn)化為聲波信號向空間發(fā)射。S2是信號接收器，它把接收到的聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號供觀察。其中S1是固定的，而S2可以左右移動。共振法測量波長由聲源S1發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)（空氣）傳播到S2，S2在接收聲波信號的同時反射部分聲波信號。如果接收面（S2)與發(fā)射面（S1）嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與反射波相干涉形成駐波。反射面處是位移的波節(jié)，聲壓的波腹。改變接收器與發(fā)射源之間的距離 ，在一系列特定的距離上，空氣中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。此時 等于半波

5、過壓電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電信號的電壓值也最大（示波器顯示波形的幅值最大）。因此，若保持頻率不變，通過測量相鄰兩次接收信號達到極大值時接收面之間的距離 ，即可得到該波的波長 ，并用 計算出聲速。相位比較法測量波長聲源S1發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場，聲場在介質(zhì)中任一點的振動相位是隨時間而變化的，但它和聲源振動的位相差 不隨時間變化。設(shè)聲源方程可寫成 ，距聲源x處S2接 ，兩處振動的位相差 ，若把兩處振動分別輸入到示波器x軸和y軸（如圖2所示），調(diào)節(jié)接收器使合振動為一斜率為正的直線。當(dāng) ，即 時，合振動為一斜率為負(fù)的直線。當(dāng)x為其它值時，合振動為橢圓。移動S2，當(dāng)其合振動為直線的圖形斜率正、負(fù)更替變化一

6、次，S2移動的距離為一個波長。準(zhǔn)確測定移動的這個距離，再根據(jù)聲波頻率求出聲波的傳播速度。時差法測量原理以上兩種方法測聲速都是用示波器觀察波谷和波峰，或觀察兩個波間的相位差，原理是正確的，但讀數(shù)位置不易確定。較精確測量聲速是用聲波時差法。時差法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號加到發(fā)射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過 時間后，到達 距離處的接收換能器，所以可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。4、 實驗內(nèi)容準(zhǔn)備與聲速測量系統(tǒng)的連接1、 示波器POWER開關(guān)置ON，調(diào)節(jié)亮度（INTENSITY）和聚焦(FOCUS)，使波形清晰。2、觸發(fā)源（TRIG. SOURCE）開關(guān)置INT

7、， 觸發(fā)方式（TRIG.MODE）開關(guān)置AUTO，觸發(fā)電平（TRIG.LEVEL）右旋至鎖定（LOCK）狀態(tài)。3、聲速測量時，專用信號源、測試儀、示波器之間的連接方法見圖9-4。諧振頻率的調(diào)節(jié)（1）將測試方法設(shè)置到連續(xù)方式，按圖9-4（a）所示連好線。按下CH1開關(guān)，調(diào)節(jié)示波器，能清楚地觀察到同步的正弦波信號。（2）調(diào)節(jié)專用信號源上的 “發(fā)射強度”旋鈕，使其輸出電壓在20VP-P左右，然后將換能器測試儀接線盒上的接收端接至示波器，將兩聲能轉(zhuǎn)換探頭靠近，按下CH2開關(guān)，調(diào)整信號頻率，觀察接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（34.5kHz39.5kHz之間，因不同的換能器或介質(zhì)而異）電壓幅度最大

8、，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配的頻率點。（3）改變S1、S2的距離，使示波器的正弦波振幅最大，再次調(diào)節(jié)正弦信號頻率，直至示波器顯示的正弦波振幅達到最大值。記錄此頻率f。共振干涉法測聲速（1）將S2移動接近S1處(注意不要接觸)，再緩緩地移動S2，當(dāng)示波器上出現(xiàn)振幅信號時時，記下位置x0。（2）由近而遠改變接收器S2的位置， 可觀察到正弦波形發(fā)生周期性的變化, 逐個記下振幅最大的x1，x2 ，x9共10個點。相位比較法測聲速（1）在共振干涉法實驗的基礎(chǔ)上, 將示波器的X-Y控制鍵按下, 即可觀察到橢圓。（2）使S2稍靠攏S1，然后再慢慢地移離S2，當(dāng)示波器屏上出現(xiàn)斜率為正的直線時，記下S

9、2的位置 。（3）移動S2，依次記下示波器上斜率負(fù)、 正變化的直線出現(xiàn)時S2的對應(yīng)位置 、 、 。（4）記下實驗室溫度t。時差法測量聲速將測試方法設(shè)置到脈沖波方式，按圖9-4（b）所示連好線。將S1和S2之間的距離調(diào)到一定距離（50mm），再調(diào)節(jié)接收增益，使示波器上顯示的接收波信號幅度在400mV左右（峰峰值），以使計時器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值Li、ti(時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出)。移動S2，同時調(diào)節(jié)接收增益，使接收波信號幅度始終保持一致。每隔10.00mm記錄下顯示的時間值L1、ti共10個點。當(dāng)使用液體為介質(zhì)測試聲速時，先在測試槽中注入液體，直

10、到把換能器完全浸沒，但不能超過液面線。然后將信號源面板上的介質(zhì)選擇鍵切換至“液體”，并將連線接至插入接線盒的“液體”接線孔中，即可進行測試，步驟與上相同。記下介質(zhì)溫度t。5、 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果及分析共振干涉儀測量空氣中的聲速測量次數(shù)i 1 2 3 45 平均值位置Li/mm49.3253.5458.1062.8067.40測量次數(shù)i678910位置Li/mm72.0076.5081.1885.9090.40波長/mm9.0729.1849.2329.2409.2009.186諧振頻率f=37.346KHZ 溫度T=237.15+12 K f 338.5 343.04m/s 338.5m/s1.33%相位比較法測量空氣中的聲速諧振頻率f= 37.346KHZ 溫度T= 237.15+12 K測量次數(shù)i 1 2 3 45 平均值位置Li/mm49.6251.6059.4265.8076.10測量次數(shù)i678910位置Li/mm88.4097.86107.80117.00125.30波長/mm7.7569.2529.67610.2409.8409.353349.3m/s3.20% 時差法測量聲速 2.58%參考文獻：李相銀 大學(xué)物理實驗 第二版.北京：高等教育出版社，2008.138頁測量次