声速测量实验报告

声速测量实验报告 实验目的 1.学会测量超声波在空气中的传播速度的方法. 2.理解驻波和振动合成理论. 3.学会逐差法进行数据处理. 4.了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力. 实验仪器 信号发生器、双踪示波器、声速测定仪 实验原理 声速v、声波频率f和波长?之间的关系为 v=f? 只要测得声波的频率f和波长?，就可求得声速v。在本实验中，声波频率f为信号发生器产生超声波的频率，直接由信号发生器显示，只要测出声波波长?，即可确定声速，测量波长常用方法有驻波法和相位法。 驻波法测波长 实验装置如图，接收器s1和超声波发射器均s2为压电陶瓷换能器。由信号发生器输出的正弦交变电压信号接到发射器s2上，转换成超声波，接收器s1接收入射的超声波，将其转换为正弦电压信号，信号输入示波器进行显示观察。 驻波法测波长实验装置图 S2发出的超声波和S1反射的超声波在它们之间的区域内相干涉——————————————————————————————————————————————— 而形 成驻波。当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中，S1、S2 即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为: L??n? 2,n?0,1,2,???(1) 即当 S1 和 S2 之间的距离 L 等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处 于共振状态，驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当 L 不满足(1)式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。移动 S1 ，可以连续地改变 L 的大小。由式(1)可知，任意两个相邻共振状态之间，即 S1 所移过的距离为: ?L?Ln?1?Ln?? 2(2) ? 2可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于 L 改变了。此距离可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据V?f?，就可求出声速。 相位法测波长 ?2 ——————————————————————————————————————————————— 将信号发生器输给发射换能器S2的电信号输入到示波器的X通道，同 时将接收换能器S1转换的电信号输入到示波器的Y通道。利用示波器 让这两个信号(频率是相同的)作垂直叠加，在示波器荧光屏上会出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李萨如图形。 相位差不同的李萨茹图 当接受换能器 S1 移动时，超声波传播距离发生变化，发射信号与接 受信号之间的相位差也随之发生变化，示波器中的李萨如图形随相位差的变化而变化。当接收器和发射器的距离变化等于一个波长时，则发射信号与接受信号之前的相位差也正好变化一个周期，相同的李萨如图形就会出现。通过准确观测相位差变化一个周期时接收器移动的距离，即可得到其对应声波的波长。 实验内容及步骤 1.正确连接装置并熟悉各仪器的使用方法。 2.将超声信号源的频率调到共振频率。 3.用驻波法测声速:连续改变接收器位置，观察声压变化和接收器位置的关系，由此测定超声波波长(YT 模式/ 转动鼓轮找到振幅最大的 10 个节点)。 4.用相位法测声速:利用示波器合成李萨如图，改变接收器位置，——————————————————————————————————————————————— 通过李萨如图形变换测定超声波长(XY 模式/ 转动鼓轮找到图形为 “/”或“\”的节点)。 5.实验完毕，关掉电源，整理好仪器。 数据处理 驻波法 f?37.103kHz ?仪?0.001mm U?? 22 S?)?(?仪)?0.0548mm 对于频率 只有?仪 V???f?344.95m/s ?0.001kHz UV?UVr?V?V( ?lnV2?? )?U??Uf?V?V()2U?2?()2Uf2?2.71m/s ?f 2211 V?V?UV?(344.95?2.71)m/s ?? UV ?0.78% V ——————————————————————————————————————————————— 相位比较法 f?37.118kHz 对于波长S? ?(?i?)2 ? i?1 n n?1 ?0.1066mm ?仪?0.001mm U?? 22 S?)?(?仪)?0.1066mm 对于频率 只有?仪 V??f?346.46m/s ?0.001kHz UV?UVr?V?V( ?lnV2?? )?U??Uf?V?V()2U?2?()2Uf2?3.95m/s ?f 2211 V?V?UV?(346.46?3.95)m/s ——————————————————————————————————————————————— ?? UV ?1.14% V 思考题 1.为什么需要在驻波系统共振状态下进行声速的测量, 答:因为当驻波偏离共振状态时,驻波的形状不稳定且声压腹的振幅 比共振时达到的最大值小得多,当驻波系统处于共振,这时驻波腹出现稳定的最大振幅。 2.如何确定驻波波节的位置, 答:驻波的波节对应声压的波腹，即图像的振幅达到最大的时候。 3.压电陶瓷超声换能器是怎样实现机械信号和电信号之间的相互转换的, 答:压电陶瓷超声换能器的重要组成部分是压电陶瓷环。压电陶瓷环由多晶结构的压电材料制成。这种材料在受到机械应力，发生机械形变时，会发生极化，同时在极化方向产生电场，这种特性称为压电效应。反之，如果在压电材料上加交变电场，材料会发生机械形变，这被称为逆压电效应。 ———————————————————————————————————————————————