大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告聲速的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告聲速的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 學(xué)會(huì)用共振干涉法、相位比較法以及時(shí)差法測(cè)量介質(zhì)中的聲速2. 學(xué)會(huì)用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；3. 了解聲速與介質(zhì)參數(shù)的關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)原理】由于超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點(diǎn)。在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)還在于超聲波的波長(zhǎng)短，可以在短距離較精確的測(cè)出聲速。超聲波的發(fā)射和接收一般通過電磁振動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)，最常見的方法是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)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機(jī)械振動(dòng)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(zhǎng)的關(guān)系為：v=x-f(1)由(1)式可知，測(cè)得聲波的頻率和波長(zhǎng)，就可

2、以得到聲速。同樣，傳播速度亦可用V=L/(2)表示，若測(cè)得聲波傳播所經(jīng)過的距離L和傳播時(shí)間t,也可獲得聲速。1. 共振干涉法實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，圖中和為壓電晶體換能器，作為聲波源，它被低頻信號(hào)發(fā)生器輸出的交流電信號(hào)激勵(lì)后，由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生受迫振動(dòng)，并向空氣中定向發(fā)出以近似的平面聲波；為超聲波接收器，聲波傳至它的接收面上時(shí)，再被反射。當(dāng)和的表面近似平行時(shí)，聲波就在兩個(gè)平面間來(lái)回反射，當(dāng)兩個(gè)平面間距L為半波長(zhǎng)的整倍數(shù)，即(3)時(shí)，發(fā)出的聲波與其反射聲波的相位在處差(n=l,2)，因此形成共振。因?yàn)榻邮掌鞯谋砻嬲駝?dòng)位移可以忽略，所以對(duì)位移來(lái)說(shuō)是波節(jié)，對(duì)聲壓來(lái)說(shuō)是波腹。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是聲壓，所以當(dāng)形成

3、共振時(shí)，接收器的輸出會(huì)出現(xiàn)明顯增大。從示波器上觀察到的電信號(hào)幅值也是極大值(參見圖2)。圖中各極大之間的距離均為，由于散射和其他損耗，各級(jí)大致幅值隨距離增大而逐漸減小。我們只要測(cè)出各極大值對(duì)應(yīng)的接收器的位置，就可測(cè)出波長(zhǎng)。由信號(hào)源讀出超聲波的頻率值后，即可由公式(1)求得聲速。波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說(shuō)是位相的傳播。沿波傳播方向的任何兩點(diǎn)同相位時(shí)，這兩點(diǎn)間的距離就是波長(zhǎng)的整數(shù)倍。利用這個(gè)原理，可以精確的測(cè)量波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，沿波的傳播方向移動(dòng)接收器，接收到的信號(hào)再次與發(fā)射器的位相相同時(shí)，一國(guó)的距離等于與聲波的波長(zhǎng)。同樣也可以利用李薩如圖形來(lái)判斷位相差。實(shí)驗(yàn)中輸入示波器的是來(lái)自同一信號(hào)

4、源的信號(hào)，它們的頻率嚴(yán)格一致，所以李薩如圖是橢圓，橢圓的傾斜與兩信號(hào)的位相差有關(guān)，當(dāng)兩信號(hào)之間的位相差為0或時(shí)，橢圓變成傾斜的直線。3.時(shí)差法用時(shí)差法測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)裝置仍采用上述儀器。由信號(hào)源提供一個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng)發(fā)出一個(gè)脈沖波，經(jīng)過一段距離的傳播后，該脈沖信號(hào)被接收，再將該信號(hào)返回信號(hào)源，經(jīng)信號(hào)源內(nèi)部線路分析、比較處理后輸出脈沖信號(hào)在、之間的傳播時(shí)間t，傳播距離L可以從游標(biāo)卡尺上讀出，采用公式(2)即可計(jì)算出聲速。4. 逐差法處理數(shù)據(jù)在本實(shí)驗(yàn)中，若用游標(biāo)卡尺測(cè)出個(gè)極大值的位置，并依次算出每經(jīng)過個(gè)的距離為這樣就很容易計(jì)算出。如測(cè)不到20個(gè)極大值，則可少測(cè)幾個(gè)（一定是偶數(shù)），用類似方法計(jì)算即可。實(shí)驗(yàn)

5、數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算】實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫為16C，空氣中聲速的理論值為1共振干涉法頻率編號(hào):12345678910L(mm)50.0052.5854.4157.4659.6362.4064.4667.3770.6072.16編號(hào):11121314151617181920L(mm)74.0177.0079.0181.8483.8086.9288.7891.6693.3196.49使用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理過程由C+程序完成，程序如下#include#includeusingnamespacestd;constintn=10;constdoublef=35.617;constdoubleL2*n=50

6、.00,52.58,54.41,57.46,59.63,62.40,64.46,67.37,70.60,72.16,74.01,77.00,79.01,81.84,83.80,86.92,88.78,91.66,93.31,96.497doubleLMD=0;intmain()for(inti=0;in;i+)LMD+=(Ln+i-Li)*2/n/n;printf(v=%.3lfn,LMD*f*2);system(pause);return0;此程序運(yùn)行結(jié)果為：v二344.461m/s;2相位比較法頻率使用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理過程由C+程序完成，程序如下#include#includeus

7、ingnamespacestd;constintn=5;constdoublef=35.618;編號(hào):12345678910L(mm)54.8264.4174.0283.7493.40103.06112.90122.36131.86141.09constdoubleL2*n=54.82,64.41,74.02,83.74,93.40,103.06,112.90,122.36,131.86,141.09;doubleLMD=0;intmain()for(inti=0;in;i+)LMD+=(Ln+i-Li)/n/n;printf(v=%.3lfn,LMD*f);system(pause);ret

8、urn0;此程序運(yùn)行結(jié)果為：v二343.187m/s3時(shí)差法測(cè)量空氣中聲速編號(hào)12345678T/“s400413428442458472487501L/mm56.8055.8666.8171.8576.8281.8386.8191.86計(jì)算機(jī)作圖如下：編號(hào)12345678EE/-J5o9g55由于第二組數(shù)據(jù)，存在較大誤差，因此將其去掉。計(jì)算機(jī)計(jì)算得v=344.41m/sT/“s9497101104107111114117L/mm105.24110.02115.00120.05125.04130.06135.01140.054時(shí)差法測(cè)量液體中聲速計(jì)算機(jī)作圖如下：1401259095100105

9、115120135-130-120-115-110-爸原始數(shù)據(jù)點(diǎn)-強(qiáng)形擬徉直線計(jì)算機(jī)計(jì)算得1449.43m/s分析討論】1關(guān)于誤差其實(shí)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要極其精細(xì)的操作。為了得到更精確的結(jié)果，不僅要每個(gè)人時(shí)刻集中精力觀察儀器，操作儀器，而且需要兩個(gè)人的默契配合。當(dāng)然，還是有一些最基本的需要注意的地方，如操作距離旋鈕時(shí)，旋轉(zhuǎn)最好不要太快，接近讀數(shù)點(diǎn)時(shí)要放慢速度，最好不要逆向旋轉(zhuǎn)旋鈕；示波器的圖像最好調(diào)節(jié)到合適的大小位置，以便觀察和減小誤差。觀察李薩如圖像時(shí)應(yīng)選取水平或垂直線段中的一者為標(biāo)準(zhǔn)，否則無(wú)法判斷移動(dòng)的是波長(zhǎng)還是半波長(zhǎng)。此時(shí)應(yīng)將圖像盡量放大，因?yàn)橛^察重合時(shí)圖像較小會(huì)導(dǎo)致誤差很大。當(dāng)然最終測(cè)得的結(jié)

10、果還是有一定的誤差，但誤差已經(jīng)很小了。觀察測(cè)得得空氣中聲速發(fā)現(xiàn)幾種測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果都偏大，一個(gè)重要的原因就是空氣中含有水蒸汽及其它雜質(zhì)，聲音在這些物質(zhì)中的傳播速度都要比在空氣中的傳播速度大所以最后的測(cè)量結(jié)果都偏大。而使用相位法測(cè)得的結(jié)果與真實(shí)值最接近，因?yàn)檫@個(gè)方法觀察圖像時(shí)，是在圖像變化到重合時(shí)讀數(shù)，判斷圖像重合成直線是相對(duì)容易的，所以誤差會(huì)較小。【思考題】1、為什么換能器要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測(cè)定？答：因?yàn)樵谥C振頻率下，反射面之間的聲壓達(dá)極大值。這樣從示波器上觀察到的電壓信號(hào)幅值為最大，從而更利于觀察。2、要讓聲波在兩個(gè)換能器之間產(chǎn)生共振必須滿足那些條件？答：1、兩個(gè)換能器的發(fā)射面與接受面互相平行。2、兩個(gè)換能器間的距離為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。3、試舉出三個(gè)超聲波應(yīng)用的例子，他們都是利用了超聲波的那些特性？答：比如超聲波定位系統(tǒng)，超聲波探測(cè)，超聲波洗牙。他們利用了超聲波的波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射，易被反射等特性。4、在時(shí)差法測(cè)量中，為何共振或接受增益過大會(huì)影響聲速儀對(duì)接受點(diǎn)的判斷？答：因?yàn)楫?dāng)共振或接受增益過大時(shí)，接受器將提前接收到信號(hào)，這樣測(cè)得的時(shí)間