聲速測量實驗報告

1、1、 實驗項目名稱：聲速測量2、 實驗?zāi)康模?. 學(xué)會測量超聲波在空氣中傳播速度的方法。2. 理解駐波和振動合成理論。3. 學(xué)會逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。4. 了解壓電換能器的功能和培養(yǎng)綜合使用儀器的能力。三、實驗原理：1. 聲波在空氣中的傳播速度：在標(biāo)況下，干燥空氣中的聲速為v=331.5m/s, T=273.15K。室溫t時，干燥空氣的聲速為v=v o (1+t/T。)八(1/2)2.測量聲速的實驗方法：v=f入 式中，v聲速，f聲源震動頻率，波長。I 相位法波是震動狀態(tài)的傳播，即相位的傳播。若超聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波是平面波，當(dāng)接受器端面垂直于波的傳播方向時，其端面上各點都具有相同的相位。沿傳播

2、方向移動接收器時，總可以找到一個位置使得接受到的信號與發(fā)射器的激勵電信號同相。繼續(xù)移動接受器，直到找到的信號再一次與發(fā)射器的激勵電信號同相時，移過的這段距離就等于聲波的波長。需要說明的是，在實際操作中，用示波器測定電信號時，由于換能器振動的傳遞或放大電路的相移，接受器端面處的聲波與聲源并不同相，總是有一定的相位差。為了判斷相位差并測量波長， 可以利用雙蹤示波器直接比較發(fā)射器的信號和接收器的信號，進(jìn)而沿聲波傳播方向移動接收器尋找同相點來測量波長；也可以利用李薩如圖形尋找同相或反相時橢圓退化成直線的點。II 駐波法按照波動理論，超聲波發(fā)生器發(fā)出的平面聲波經(jīng)介質(zhì)到接收器，若接收面與發(fā)射面平行，聲波在

3、接收面處就會被垂直反射，于是平面聲波在兩端面間來回反射并疊加。當(dāng)接收端面與當(dāng)接受端面與發(fā)射頭間的距離恰好等于半波長的整數(shù)倍時，疊加后的波就形成駐波。此時相鄰兩波節(jié)（或波腹）間的距離等于半個波長（即） 。當(dāng)發(fā)生器的激勵頻率等于駐波系統(tǒng)的固有頻率（本實驗中壓電陶瓷的固有頻率）時，會產(chǎn)生駐波共振，波腹處的振幅達(dá)到最大值。聲波是一種縱波。由縱波的性質(zhì)可以證明，駐波波節(jié)處的聲壓最大。當(dāng)發(fā)生共振時，接收端面處為一波節(jié)，接收到的聲壓最大， 轉(zhuǎn)換成的電信號也最強(qiáng)。移動接收器到某個共振位置時，示波器上又會出現(xiàn)了最強(qiáng)的信號，繼續(xù)移動接收器到某個共振位置，再次出現(xiàn)最強(qiáng)的信號，則兩次共振位置之間距離為入/2 。四、實

4、驗儀器:聲速測試儀、信號發(fā)生器、示波器。五、實驗內(nèi)容及步驟:用駐波法測聲速尸口鼻舷第t攜華路， I j=二儂腎率”-;_ - 管信號發(fā)注器的輸E端與聲速儀的輸出端S2相連，將聲速儀的輸出端 Sl與示波器的Y 端(或通道CH1相連，讓Sl和S2靠近弁留有適當(dāng)?shù)目障叮?兩端面平行且與游標(biāo)尺正交。(2)根據(jù)實驗室給出的壓電陶瓷換能器的振動頻率f ,將信號發(fā)生器的輸出頻率調(diào)至f附近，緩慢移動S2,當(dāng)在示波器上看到正弦波首次出現(xiàn)振幅較大處，固定 S2,再仔細(xì)微調(diào)信號發(fā)生器 的輸出頻率，使熒光屏上圖形振幅達(dá)到最大，讀出共振頻率f.(3)在共振條件下，將S2移近S1,再緩慢移開S2,當(dāng)示波器上出現(xiàn)振幅最大

5、時，記下 S2的位置x0.(4) 由近及遠(yuǎn)移動S2,逐次記下各振幅最大時 S2的位置， 連續(xù)測20個數(shù)據(jù)xl , x20。(5) 用逐差法算出聲波波長的平均值。2 .用相位法測聲速(1)按圖連接電路。(2)將示波器“秒/格”旋鈕旋至 X-Y擋，信號發(fā)生器接示波器CH2通道，利用李薩如圖形觀察發(fā)射波與接收波的位相差，找出 同相點。(3)在共振條件下，使S2靠近S1,然后慢慢移開S2,當(dāng)示波器 上出現(xiàn)45。傾斜線時，微調(diào)游標(biāo)卡尺的微調(diào)螺絲， 使圖形穩(wěn)定， 記下S2的位置xo建(4)繼續(xù)緩慢移開S2,依次記下20個示波器上李薩如圖形為直 線時游標(biāo)卡尺的讀數(shù)x1',，x20'。(5)用

6、逐差法算出聲波波長的平均值。六、數(shù)據(jù)記錄及處理1.駐波法項S2坐標(biāo)/mm目X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10151151155156160165169174179183.47.38.97.92.03.52.34.80.57.89逐差(5x6-x1x7-x2X8-x3X9-x4X10-x5 x)14.0517.9618.8322.6523.862.相位法項目S2坐標(biāo)/mmX1X2X3X4X5X6X7X8X9X10184.89189.38193.18198.74203.48207.18212.76217.51221.99226.67逐差(5 x)x6-x1x7-x2X8-x3X9-x4X1

7、0-x522.2923.3824.3323.2523.19七、實驗結(jié)果分析與小結(jié)實驗結(jié)果正常誤差分析：1 .由于兩金屬面弁非絕對平行，可能導(dǎo)致實驗結(jié)果有所誤差。2 .由于信號發(fā)生器頻率始終在變化之中,無法確定,導(dǎo)致實驗結(jié)果有所誤差。3 . 其他聲音造成的干擾。4 . 在觀察波形時, 無法準(zhǔn)確的找到峰值和直線的位置。思考： 為什么要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測量？如何調(diào)節(jié)和判斷測量系統(tǒng)是否處于諧振狀態(tài)？諧振時超聲波的發(fā)射和接收效率均達(dá)到最高；保持其他條件不變，僅僅改變信號發(fā)生器的輸出頻率，觀察接收到得超聲波信號幅度，出現(xiàn)極大值時對應(yīng)的頻率就是諧振頻率。聲速測量中共振干涉法、相位法、時差法有何異同？從波源上說，干涉法、相位法用的是連續(xù)波，時差法用的是脈沖波。從測量儀器上說，干涉法、相位法要用示波器、刻尺和頻率計，時差法用的是計時儀器和刻尺。從原理上說，干涉法、相位法原理相同，均是發(fā)射波和返回波形成駐波（在力學(xué)里對應(yīng)的稱共振） ，測量波腹到波腹之間的距離或駐波相位差為2Pi （兩個波腹到波腹之間的距離）距離來計算波速（波腹到波腹之間的距離為聲波長的1/2, 用波長乘以頻率既得聲速），這種方法的優(yōu)點是通過示波器觀測波形直觀，又可以講解駐波和李薩如圖形，涉及知識點較多，一般學(xué)校都會選擇這兩種方法做測量，缺點是波腹和相位差所對應(yīng)