實驗報告-聲速測量

1、 實驗報告：聲速的測量實驗報告  聲速的測量 【實驗項目】 1.用共振干涉法測量空氣中的聲速2.用相位比較法測量空氣中的聲速3.時差法測量介質(zhì)中的聲速；4.用反射法測量擋板的距離【實驗儀器】聲速測量儀、FD-SV-D超聲波測距綜合試驗儀、示波器【實驗原理】 由于超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點。在超聲波段進行 聲速測量的優(yōu)點還在于超聲波的波長短，可以在短距離較精確的測出聲速。 超聲波的發(fā)射和接收一般通過電磁振動與機械振動的相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，最常見的方法是利用壓電效應和磁致伸縮效應來實現(xiàn)的。本實驗采用的是壓電陶瓷制 成的換能器(探頭)，這種壓電陶瓷可以在

2、機械振動與交流電壓之間雙向換能。 聲波的傳播速度與其頻率和波長的關(guān)系為： (1) 由(1)式可知，測得聲波的頻率和波長，就可以得到聲速。同樣，傳播速度亦可用=(2)表示，若測得聲波傳播所經(jīng)過的距離L和傳播時間t，也可獲得聲速。1. 共振干涉法 實驗裝置如圖1所示，圖中S1和S2為壓電晶體換能器，S1作為聲波源，它被低頻信號發(fā)生器輸出的交流電信號激勵后，由于逆壓電效應發(fā)生受迫振動，并向空氣中定向發(fā)出以近似的平面聲波；S2為超聲波接收器，聲波傳至它的接收面上時，再被反射。當S1和S2的表面近似平行時，聲波就在兩個平面間來回反射，當兩個平面間距L為半波長的整倍數(shù)，即 L=n/2 n=0，1，2，(3

3、) 時，S1發(fā)出的聲波與其反射聲波的相位在S1處差(n=1，2 )，因此形成共振。 因為接收器S2的表面振動位移可以忽略，所以對位移來說是波節(jié)，對聲壓來說是波腹。本實驗測量的是聲壓，所以當形成共振時，接收器的輸出會出現(xiàn)明顯增大。從示波器上觀察到的電信號幅值也是極大值(參見圖2)。 圖中各極大之間的距離均為/2 ，由于散射和其他損耗，各級大致幅值隨距離增大而逐漸減小。我們只要測出各極大值對應的接收器S2的位置，就可測出波長。由信號源讀出超聲波的頻率值后，即可由公式(1)求得聲速。FD-SV-D2. 相位比較法  波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。沿波傳播方向

4、的任何兩點同相位時，這兩點間的距離就是波長的整數(shù)倍。利用這個原理，可以精確的測量波長。實驗裝置如圖1所示，沿波的傳播方向移動接收器S2，接收到的信號再次與發(fā)射器的位相相同時，一國的距離等于與聲波的波長。 同樣也可以利用李薩如圖形來判斷位相差。實驗中輸入示波器的是來自同一信號源的信號，它們的頻率嚴格一致，所以李薩如圖是橢圓，橢圓的傾斜與兩信號的位相差有關(guān)，當兩信號之間的位相差為0或時，橢圓變成傾斜的直線。 位相差和角頻率、傳播時間t之間有如下關(guān)系： 同時有，（式中T為周期） 代入上式得： 當（n=1，2，3，.）時，可得。 由上式可知：

5、當接收點和波源的距離變化等于一個波長時，則接收點和波源的位相差也正好變化一個周期（即=2）。 實驗時，通過改變發(fā)射器與接收器之間的距離，觀察到相位的變化。當相位差改變時，相應距離的改變量即為半個波長。根據(jù)波長和頻率即可求出波速。  3. 時差法  用時差法測量聲速的實驗裝置仍采用上述儀器。由信號源提供一個脈沖信號。經(jīng)t時間到達L處的接收器，根據(jù)關(guān)系v=L/t，即可計算出聲速。4. 超聲測距用反射法，就要求使用接收器與發(fā)射器在同一位置，利用公式：L=vt=vT/2T為發(fā)射到接收的時間差?！緦嶒灢襟E】1.共振干涉法打開實驗儀與示

6、波器實驗儀調(diào)整為相位測量模式。信號源：一接口接超聲發(fā)生器、一接口接示波器的1通道（CH1）信號接收放大：輸入端接超聲接收器、輸出端接示波器的2通道（CH2）觀察CH2的信號，按下POSITION，使得信號置中。界面上顯示有頻率值，記下該頻率值f。只顯示CH2的信號，界面上顯示有CH2的最大電壓值。調(diào)節(jié)游標尺，使得讀數(shù)歸零。將游標尺調(diào)節(jié)到最近的位置，獲得最大的信號電壓值，記下此處的位置。繼續(xù)移動游標尺，每到一個信號電壓最大處，記錄位置，總共記錄20個位置。使用逐差法，獲得半波長，進而獲得聲速。2.相位比較法仍舊使用相位測量模式，游標尺歸零顯示CH1、CH2，按下DISPLAY，將模式調(diào)節(jié)為XY模

7、式，此時顯示李薩如圖形。游標尺開始移動。每到一處李薩如圖形為一斜線，就記錄一次位置。使用逐差法，獲得半波長，進而獲得聲速。3.時差法切換為時差法測量模式。連續(xù)移動接收端游標尺，記錄接收端的位置L，同時記錄主機液晶屏上顯示的時間t，取多個數(shù)據(jù)，進行處理。繪制直線，斜率就是所測聲速v。4.反射法測量擋板距離。將利用磁鋼將擋板吸附在移動接收端之前。將游標尺上的接收端的接口拔出，換到發(fā)生器一側(cè)的接收接口。進入超聲波測距模式，移動擋板，同時記錄擋板位置L與液晶屏上的顯示距離l，比較兩者的數(shù)值?！緦嶒灁?shù)據(jù)】頻率：f=40.0001kHz1.共振干涉法接收序號iLi/mm接收序號iLi/mmdelta Li

8、/mm平均差值/mm11.681145.6043.92 44.3024.731249.8145.08 310.111354.3144.20 415.001458.6943.69 518.571563.3144.74 622.651667.5844.93 728.121771.9543.83 832.451876.6444.19 936.711981.1844.47 1041.262085.1643.90 平均波長：聲速：2.相位比較法接收序號iLi/mm接收序號iLi/mmdelta Li/mm平均差值/mm132.671176.6844.01 43.80237.211281.0143.80 341.651385.3943.74 446.001489.7343.73 550.411594.0543.64 654.771698.4843.71 759.2117102.8843.67 863.6018107.3143.71 967.8719111.5943.72 1072.1520116.4544.30 平均波長：聲速：3.時差法斜率v = 0.3504 mm/s = 350.4 m/s4.用反射法超聲測距L/mm0.0010.0420.0929.9739.9750.1360.1370.1080.01l/mm31111203040515958L/mm90.