聲速的測定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、時需Sr彳聲速的測定實(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ST16B3、實(shí)驗(yàn)原理3. 1 實(shí)驗(yàn)原理聲速V頻率f和波長入之間的關(guān)系式為 V f 。如果能用實(shí)驗(yàn)方法測量聲波的頻率f和波長入，即可求得聲速 V。常用的測量聲速的方法有以下兩種。3. 2 實(shí)驗(yàn)方法3. 2. 1駐波共振法（簡稱駐波法）S1發(fā)出的超聲波和 S2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，此駐波的振幅才達(dá)到最

2、大值，此時的頻率為共振頻率。駐波系統(tǒng)的固有頻率不僅與系統(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，$、S2即為兩邊界，且必定是波節(jié)，其間可以有任意個波節(jié)，所以駐波的共振條件為：L n ,n 1,2,32 （1）即當(dāng)S1和S2之間的距離L等于聲波半波長的整數(shù)倍時，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，駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)，駐波振幅隨之減小。移動S2，可以連續(xù)地改變 L的大小。由式（1）可知，任意兩個相鄰共振狀態(tài)之間，即S2所移過的距離為：L Ln 1 Lnn 1 3 n 3(2)（5）210時，由（5 ）式，得可見，示波器上信號幅度每一次

3、周期性變化，相當(dāng)于L改變了 2。此距離2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)V f，就可求出聲速。3. 2. 2兩個相互垂直諧振動的合成法（簡稱相位法）在示波器熒光屏上就出現(xiàn)兩個相互垂直的同頻率的諧振動的合成圖形一一稱為李沙如 圖形。其軌跡方程為：2 2XY2XY2Cos 21 Sin 21A1AA1AA1即軌跡為一條處在于第一和第三象限的直線參見圖16 2(a)在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當(dāng)相位差改變S1和2X1 22時，得Ay1 時，得S2之間的距離2訂1,軌跡為以坐標(biāo)軸為主軸的橢圓AxA1 ，軌跡為處于第二和第四象限的一條直線。L,相當(dāng)于改

4、變了發(fā)射波和接受波之間的相位差2 1），熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個波長（即L Ln 1 Ln ）2，位相差 就變化 。隨著振動相位差從0t 的變化，李沙如圖形就按圖16 2（a）b）T （c）變化。因此，每移動半個波長，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)V f，就可計(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)

5、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S引線插在低頻信號發(fā)生器的“功率輸出孔”，把換能器S?接到示波器的“ Y in put ”。2 ）打開電源開關(guān)，把頻率倍乘按鈕X10K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TI

6、ME/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S位置，目測S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34.000 36.000KHZ范圍。觀察示波器，當(dāng)屏幕的波形幅度最大時，說明換能器S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?穩(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換能器，以免影響測量精確性

7、。7 ）向右稍移S2,并調(diào)整游標(biāo)卡尺的微調(diào)螺絲，同時觀察示波器上波形，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Lo。8由近至遠(yuǎn)慢慢移動接收器 S，逐個記下九個幅度最大的位置（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“ Y in put ”接超聲波測速儀的接收器Sa,示波器“ X輸入”聯(lián)接到低頻布磊冊右一 信號發(fā)生器的電壓輸出（不能接同步輸出）。3 ）把Sa調(diào)回距S大約3cm,移動接收換能器 S,調(diào)節(jié)游標(biāo)卡尺微調(diào)螺絲，同時觀察示 波器的圖形變化，使圖形為“ /”，記下S2初始位置L。（即4 ）由近

8、至遠(yuǎn)，慢慢移動Sa,并注意觀察圖形變化，逐下記下每發(fā)生一次半周期變化 圖形由“ /”直線變到“ ”直線）接收換能器 Sa的位置讀數(shù)Li值，共測十個數(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f =34.583KHz標(biāo)準(zhǔn)偏差SLi 5 LiLi=0.036 mmC n Sl. 5 L1.650.0360.06VLiLimUb0.0233合成不確定度為0.012mmULi 5 Li2Ub25 Li UB,0.03620.01220.038(mm)mf頻率f不確定度Uf0.346.30.2(Hz)表1駐波法測量波長的測量數(shù)據(jù)次序Li 10 3mm次序Li 10

9、 3 mmLi 5 Li 10 3mmvJ 5 Li 10 3mm193.726119.5425.820.012298.847124.7025.860.0283104.028129.9025.880.0484109.229135.0225.800.0325114.3810140.1825.800.032逐差法處理表1數(shù)據(jù)聲速V的相對不確定度Ev(¥)2(lULi 5 ljfLi 5 Li(0.2 )2 ( 0.038 )2 0.006 0.6%34.58325.832聲速的計(jì)算357.34(m/s)22V f(Li5 L.)34.583 25.83255聲速V不確定度為Uv VEv 357.34 0.006 3(m/s)室溫時聲速結(jié)果表達(dá)式：時需Sr彳V V Uv 357.34 0.006（m/s）（p0.683）