大學物理實驗報告聲速的測量

聲速的丈量【實驗目的】學會用共振干預法、相位比較法以實時差法丈量介質中的聲速學會用逐差法進行數據辦理；認識聲速與介質參數的關系。【實驗原理】因為超聲波擁有波長短，易于定向發(fā)射、易被反射等長處。在超聲波段進行聲速丈量的長處還在于超聲波的波長短，能夠在短距離較精準的測出聲速。超聲波的發(fā)射和接收一般經過電磁振動與機械振動的相互變換來實現，最常有的方法是利用壓電效應和磁致伸縮效應來實現的。本實驗采納的是壓電陶瓷制成的換能器(探頭)，這類壓電陶瓷能夠在機械振動與溝通電壓之間雙向換能。聲波的流傳速度與其頻次和波長的關系為：

v

f

(1)

由(1)

式可知，測得聲波的頻次和波長，就能夠獲取聲速。相同，流傳速度亦可用

vL/t

(2)表示，若測得聲波流傳所經過的距離L和流傳時間t，也可獲取聲速。1.共振干預法實驗裝置如圖1所示，圖中和為壓電晶體換能器，作為聲波源，它被低頻信號發(fā)生器輸出的溝通電信號激勵后，因為逆壓電效應發(fā)生受迫振動，并向空氣中定向發(fā)出以近似的平面聲波；為超聲波接收器，聲波傳至它的接收面上時，再被反射。當和的表面近似平行時，聲波就在兩個平面間往返反射，當兩個平面間距L為半波長的整倍數，即(3)時，

發(fā)出的聲波與其反射聲波的相位在

處差

(n=1，2

)，所以形成共振。因為接收器的表面振動位移能夠忽視，所以對位移來說是波節(jié)，對聲壓來說是波腹。本實驗丈量的是聲壓，所以當形成共振時，接收器的輸出會出現顯然增大。從示波器上察看到的電信號幅值也是極大值(拜見圖2)。圖中各極大之間的距離均為，因為散射和其余消耗，各級大概幅值隨距離增大而漸漸減小。我們只需測出各極大值對應的接收器的地點，便可測出波長。由信號源讀出超聲波的頻次值后，即可由公式(1)求得聲速。相位比較法波是振動狀態(tài)的流傳，也能夠說是位相的流傳。沿波流傳方向的任何兩點同相位時，這兩點間的距離就是波長的整數倍。利用這個原理，能夠精準的丈量波長。實驗裝置如圖1所示，沿波的流傳方向挪動接收器，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。相同也能夠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，它們的頻次嚴格一致，所以李薩如圖是橢圓，橢圓的傾斜與兩信號的位相差相關，當兩信號之間的位相差為0或時，橢圓變?yōu)閮A斜的直線。時差法用時差法丈量聲速的實驗裝置仍采納上述儀器。由信號源供給一個脈沖信號經發(fā)出一個脈沖波，經過一段距離的流傳后，該脈沖信號被接收，再將該信號返回信號源，經信號源內部線路剖析、比較辦理后輸出脈沖信號在、之間的流傳時間t，流傳距離L能夠從游標卡尺上讀出，采納公式(2)即可計算出聲速。逐差法辦理數據在本實驗中，若用游標卡尺測出個極大值的地點，并挨次算出每經過個的距離為這樣就很簡單計算出。如測不到20個極大值，則可少測幾個(必定是偶數)，用近似方法計算即可?！緦嶒灁祿涗洝嶒灲Y果計算】實驗時室溫為16℃，空氣中聲速的理論值為1．共振干預法頻次使用逐差法進行數據辦理，辦理過程由C++程序達成，程序以下#include<iostream>#include<cstdio>usingnamespacestd;constintn=10;constdoublef=;constdoubleL[2*n]={,,,,,,,,,,,,,,,,,,,};doubleLMD=0;intmain(){編號:12345678910L(mm)編號:11121314151617181920L(mm)for(inti=0;i<n;i++)LMD+=(L[n+i]-L[i])*2/n/n;printf("v=%.3lf\n",LMD*f*2);system("pause");return0;}此程序運轉結果為：v=m/s;2．相位比較法頻次使用逐差法進行數據辦理，辦理過程由C++程序達成，程序以下#include<iostream>#include<cstdio>編號12345678usingnamespacestd;constintn=5;constdoublef=;constdoubleL[2*n]={,,,,,,,,};doubleLMD=0;intmain()編號:12345678910L(mm){for(inti=0;i<n;i++)LMD+=(L[n+i]-L[i])/n/n;printf("v=%.3lf\n",LMD*f);system("pause");return0;}此程序運轉結果為：v=m/s3．時差法丈量空氣中聲速T/μs400413428442458472487501L/mm計算機作圖以下：編號12345678T/μs9497101104107111114117L/mm因為第二組數據，存在較大偏差，所以將其去掉。計算機計算得v=m/s4．時差法丈量液體中聲速計算機作圖以下：計算機計算得v=m/s【剖析議論】對于偏差其實做這個實驗需要極其精美的操作。為了獲取更精準的結果，不單要每個人時刻集中精力察看儀器，操作儀器，并且需要兩個人的默契配合。自然，仍是有一些最基本的需要注意的地方，如操作距離旋鈕時，旋轉最好不要太快，靠近讀數點時要放慢速度，最好不要逆向旋轉旋鈕；示波器的圖像最好調理到適合的大小地點，以便察看和減小偏差。察看李薩如圖像時應選用水平或垂直線段中的一者為標準，不然沒法判斷挪動的是波長仍是半波長。此時應將圖像盡量放大，因為察看重合時圖像較小會致使偏差很大。自然最后測得的結果仍是有必定的偏差，但偏差已經很小了。察看測得得空氣中聲速發(fā)現幾種丈量方法的丈量結果都偏大，一個重要的原由就是空氣中含有水蒸汽及其余雜質，聲音在這些物質中的流傳速度都要比在空氣中的流傳速度大，所以最后的丈量結果都偏大。而使用相位法測得的結果與真切值最靠近，因為這個方法察看圖像時，是在圖像變化到重合時讀數，判斷圖像重合成直線是相對簡單的，所以偏差會較小。【思慮題】1、為何換能器要在諧振頻次條件下進行聲速測定？答：因為在諧振頻次下，反射面之間的聲壓達極大值。這樣從示波器上察看到的電壓信號幅值為最大，進而更利于察看。2、要讓聲波在兩個換能器之間產生共振一定知足那些條件？答：1、兩個換能器的發(fā)射面與接受面相互平行。、兩個換能器間的距離為半波長的整數倍。3、試舉出三個超聲波應用的例子，他們都是利用了超聲波的那些特征？答：比方超聲波定位系統(tǒng)，超聲波探測，超聲波洗牙。他們利用了超聲波的波長短，易于定向發(fā)射，易被反射等特征。4、在時差法丈量中，為何共振或接受增益過大會影響聲速儀對接受點的判斷？答：因為當共振或接受增益過大時，接受器將提早接收到信號，這樣測得的時間將偏小，致使最后計算出的聲速偏大。【個人