大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)超聲波速測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)超聲波速測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解超聲波的物理特性及其產(chǎn)生機(jī)制；2. 學(xué)會(huì)用相位法測(cè)超聲波聲速并學(xué)會(huì)用逐差法處理數(shù)據(jù)；3. 測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的吸收系數(shù)及反射面的反射系數(shù)；4. 并運(yùn)用超聲波檢測(cè)聲場(chǎng)分布。5. 學(xué)習(xí)超聲波產(chǎn)生和接收原理，6. 學(xué)習(xí)用相位法和共振干涉法測(cè)量聲音在空氣中傳播速度，并與公認(rèn)值進(jìn)行比較。7. 觀察和測(cè)量聲波的雙縫干涉和單縫衍射二實(shí)驗(yàn)條件HLD-SV-II 型聲速測(cè)量綜合實(shí)驗(yàn)儀，示波器，信號(hào)發(fā)生儀三實(shí)驗(yàn)原理1、超聲波的有關(guān)物理知識(shí)聲波是一種在氣體。液體、固體中傳播的彈性波。聲波按頻率的高低分為次聲波（ f20Hz ）、聲波（20Hz f 20kHz）、超

2、聲波（f>20kHz）和特超聲波（f 10MHz ），如下圖。聲波頻譜分布圖振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生如下形式的震蕩波：橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向垂直的波，它只能在固體中傳播?？v波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向一致的波，它能在固體、液體、氣體中的傳播。表面波： 當(dāng)材料介質(zhì)受到交變應(yīng)力作用時(shí)， 產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎ?介質(zhì)表面的質(zhì)點(diǎn)做橢圓的振動(dòng)，因此表面波只能在固體中傳播且隨深度的增加衰減很快。板波：在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)膹椥员“逯袀鞑サ牟?，可分為SH 波與蘭姆波。超聲波由于其波長(zhǎng)短、頻率高，故它有其獨(dú)特的特點(diǎn)：繞射現(xiàn)象小，方向性好，能定向傳播； 能量較高，穿透力強(qiáng)，在傳播過程中衰減很小，在水中可以比

3、在空氣或固體中以更高的頻率傳的更遠(yuǎn)，而且在液體里的衰減和吸收是比較低的；能在異質(zhì)界面產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。2、理想氣體中的聲速值聲波在理想氣體中的傳播可認(rèn)為是絕熱過程，因此傳播速度可表示為rRTV(1)式中 R 為氣體普適常量(R=8.314J/(mol.k)，是氣體的絕熱指數(shù)( 氣體比定壓熱容與比定容熱容之比 ) ，為分子量， T為氣體的熱力學(xué)溫度， 若以攝氏溫度t 計(jì)算，則：TT0tT0273.15K代入式 (1) 得，VrR (T0 t) rR T01t V01t(2)T0T0對(duì)于空氣介質(zhì)， 0時(shí)的聲速 V 0 =331.45m /s 。若同時(shí)考慮到空氣中的蒸汽的影響，校準(zhǔn)后聲速公式

4、為：V331.45 (1t)(10.319 pw)m / s(3)T0p式中 pw 為蒸汽的分壓強(qiáng)，p 為大氣壓強(qiáng)。3、共振干涉法設(shè)有一從發(fā)射源發(fā)出的一定頻率的平面聲波，經(jīng)過空氣傳播， 到達(dá)接收器， 如果接收面與發(fā)射面嚴(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，反射面處為位移的波節(jié)。改變接收器與發(fā)射源之間的距離l ，在一系列特定的距離上，媒質(zhì)中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。此時(shí)，l 等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，駐波的幅度達(dá)到極大；同時(shí)，在接收面上的聲壓波腹也相應(yīng)地達(dá)到極大值。不難看出， 在移動(dòng)接收器的過程中，相鄰兩次達(dá)到共振所對(duì)應(yīng)的接收面之間的距離即為半波長(zhǎng)。因此，若保持頻率v 不變

5、，通過測(cè)量相鄰兩次接收信號(hào)達(dá)到極大值時(shí)接收面之間的距離(/ 2 ) ，就可以用 Vv計(jì)算聲速。聲壓變化與接收器位置的關(guān)系：4、相位比較法發(fā)射波通過傳聲媒質(zhì)到達(dá)接收器，所以在同一時(shí)刻，發(fā)射處的波與接收處的波的相位不同，其相位差可利用示波器的李薩如圖形來觀察。和角頻率、傳播時(shí)間t 之間有如下關(guān)系：t同時(shí)有：2/ T,tl,TVV（式中T 為周期），代入上式可求得聲速V 。的確定用如下方法：根據(jù)2l /當(dāng) ln/ 2(n1,2,3,.) 時(shí)，得n。實(shí)驗(yàn)時(shí)， 通過改變發(fā)射器與接收器之間的距離，可觀察到相位的變化。而當(dāng)相位差改變時(shí)，相應(yīng)的距離l的改變量即為半個(gè)波長(zhǎng)。為精確測(cè)定波長(zhǎng)的值，在實(shí)際的操作中要連

6、續(xù)測(cè)多個(gè)相位改變的點(diǎn)的坐標(biāo)，再用逐差法算出波長(zhǎng)的值，根據(jù)波長(zhǎng)和頻率值可求出聲速。行波法相位差圖：5 聲速測(cè)量及聲波的雙縫干涉與單絲衍射由于超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射及抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，所以在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量是比較方便的。 本實(shí)驗(yàn)用共振干涉法和相位比較法測(cè)量聲音在空氣中傳播的聲速；并研究聲波雙縫干涉， 單縫衍射及聲波的反射現(xiàn)象，將測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行比較，從而對(duì)波動(dòng)學(xué)的物理規(guī)律和基本概念有更深的理解。6、聲波的干涉和衍射雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。對(duì)于不同的角，如果從雙縫到接收器的程差是零或波長(zhǎng)的整數(shù)倍， 就會(huì)產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉，因而觀察到干涉強(qiáng)度的極大值；當(dāng)程差是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，干涉強(qiáng)度有

7、極小值。因此，干涉強(qiáng)度出現(xiàn)極大值與極小值的條件如下：極大值： d sinn極小值： d sin(n1 )2式中， n 為零或整數(shù)， d 為二個(gè)縫中心位置的距離，(4)(5)為聲音的波長(zhǎng)。dra圖 1衍射效應(yīng)用超聲波也可以觀察到，采用 1 個(gè)單縫， 如圖 2 所示。當(dāng)來自單縫的一半的輻射與來自另一半的輻射相差半波長(zhǎng)奇數(shù)倍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相消干涉，因此相消干涉條件是：a1（ 6）sin( n )22式中， n=0，± 1，± 2， a 為單縫縫寬，為接收器離中心位置轉(zhuǎn)過角度。ar圖 2三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容( 一 ) ：聲音在空氣中傳播速度測(cè)量1、調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)的諧振頻率按圖 4 將實(shí)驗(yàn)裝置接好

8、。正弦波的頻率取40KHz，調(diào)節(jié)接收換能器盡可能近距離，且使示波器上的電源信號(hào)為最大。然后，將兩個(gè)換能器分開稍大些距離（約5-6cm），使接收換能器輸入示波器上的電壓信號(hào)為最大。再調(diào)節(jié)頻率， 使該信號(hào)確實(shí)為該位置極大值。此時(shí)信號(hào)源輸出頻率才最終等于二個(gè)換能器的固有頻率。在該頻率上，換能器輸出較強(qiáng)的超聲波。2、在諧振頻率處用共振法和相位法測(cè)聲速。當(dāng)測(cè)得一聲速極大值后，連續(xù)地移動(dòng)接收端的位置，測(cè)量相繼出現(xiàn)20 個(gè)極大值所相應(yīng)的各接收面位置Li ，再用逐差法求波長(zhǎng)值。在用相位比較法時(shí)，將接收器與示波器的Y 軸相連， 發(fā)射器與示波器X 軸相連， 即可利用李薩如圖形來觀察發(fā)射波與接收波的相位差，適當(dāng)調(diào)節(jié)

9、Y 軸和 X 軸靈敏度， 就能獲得比較滿意的李薩如圖形。對(duì)于兩個(gè)同頻率互相垂直的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成，隨著兩者之間相位差從0- 變化，其李薩如圖形由斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再由橢圓變到斜率為負(fù)的直線。記錄游標(biāo)卡尺上讀數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇李薩如圖形為直線時(shí)所對(duì)應(yīng)的位置。每移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)，就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)斜率正負(fù)交替的直線圖形。3、本實(shí)驗(yàn)溫度應(yīng)正確仔細(xì)地測(cè)量（為什么？），并測(cè)出溫度計(jì)干泡溫度和濕泡溫度，查表得到該狀態(tài)下的pw 值，再測(cè)得實(shí)驗(yàn)室當(dāng)時(shí)的氣壓值p，（干燥天氣可不必測(cè)量pw 和 p）（詳見參考資料1 和 3），則可由式（3）求出聲速值。4、將上述兩種方法的測(cè)量結(jié)果比較，計(jì)算相對(duì)偏差。選做實(shí)驗(yàn)：（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)）（

10、二）聲波的雙縫干涉用圖 1 所示雙縫裝置來做干涉實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)須滿足公式（4）和公式（ 5）條件。為了減少由于兩個(gè)縫處的衍射所引起的復(fù)雜性。簡(jiǎn)單的辦法是每個(gè)縫寬度均小于1 個(gè)波長(zhǎng)（約8-9mm為一個(gè)波長(zhǎng)），縫寬僅 2-3mm，而兩個(gè)縫相隔為幾個(gè)波長(zhǎng)， （實(shí)際使用雙縫間距約為3 倍波長(zhǎng)）。這時(shí)， 測(cè)量出主極大，次極大和極小值的位置。要觀察更多極大值和極小值位置，須將固定螺絲卸下，放好后。轉(zhuǎn)動(dòng)更大角度觀察到。（三）聲波的單縫衍射用圖 2 所示雙縫裝置來做觀察聲波的單縫衍射實(shí)驗(yàn)（注意卸下固定螺絲必須保管好）。體會(huì)聲波衍射的物理含義。將轉(zhuǎn)動(dòng)緊固螺絲卸下( 注意螺絲和螺帽不能掉) 放在紙盒內(nèi)。 將接收器繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，可以觀察接收信號(hào)在不同角位置時(shí)強(qiáng)度的變化，由公式(6) 可估算一級(jí)極小值的角度?？梢栽跐M足公式 (6) 的條件下，觀測(cè)到一級(jí)極小值。估算一下衍射是否與理論值一致，轉(zhuǎn)動(dòng)更大角度時(shí)，可觀測(cè)到一級(jí)極大值。四、使用注意事項(xiàng)1、儀器與裝置連接的電纜線，不宜多拆、多接。角度固定螺絲也不宜讓學(xué)生經(jīng)常卸下。最佳方案是配一套公用“聲速測(cè)量綜合實(shí)驗(yàn)儀”。讓學(xué)生學(xué)習(xí)接拆同軸電纜接頭，以及觀測(cè)大角度時(shí)雙縫干涉和單縫衍射，并備1 個(gè)大量角器。2、數(shù)顯游標(biāo)卡尺使用時(shí)，應(yīng)輕輕移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)速度須慢而均勻。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)將數(shù)顯部分電源