超聲聲速測量實用教案

1、1. 掌握用駐波法和相位比較法測量空氣中的聲速掌握用駐波法和相位比較法測量空氣中的聲速 2. 加深對駐波和振動合成理論知識的理解，了解加深對駐波和振動合成理論知識的理解，了解超聲壓電換能器的結(jié)構(gòu)和原理超聲壓電換能器的結(jié)構(gòu)和原理3. 進(jìn)一步掌握信號源和示波器的使用，培養(yǎng)綜合進(jìn)一步掌握信號源和示波器的使用，培養(yǎng)綜合使用儀器能力使用儀器能力第1頁/共15頁第一頁，共16頁。一、 共振干涉法（駐波法）S1發(fā)射S2反射干涉而成駐波L2 23 2Lp波腹波節(jié)S2表面聲壓與其位置的關(guān)系第2頁/共15頁第二頁，共16頁。n當(dāng)換能器S1與S2的表面平行時，由換能器S1的震動產(chǎn)生的超聲波在S1、S2兩表面之間形成

2、駐波，在接收換能器S2處是振幅的波節(jié)位置（理論推導(dǎo)）、聲壓的波腹位置，即該處位移為零，聲壓最大。當(dāng)S1、S2的間距滿足一定條件時，出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波現(xiàn)象，此時接收器S2表面的聲壓振幅最大，改變S1、S2的間距，可以測量到一系列的聲壓最大的位置，而這些相鄰位置的間距就是超聲波半波長的大小。n利用示波器來觀測(gunc)經(jīng)換能器S2產(chǎn)生的電信號波形，以確定振幅的最大位置。第3頁/共15頁第三頁，共16頁。結(jié)論：每兩個相臨波腹（波節(jié)）間的距離為/2第4頁/共15頁第四頁，共16頁。第5頁/共15頁第五頁，共16頁。二、 相位比較法（行波法）S1發(fā)射S2反射干涉而成駐波L 聲源S1發(fā)出聲波后，在其周圍形成

3、聲場，聲場在介質(zhì)中任一點的振動相位是隨時間而變化的。但它和聲源的振動相位差j不隨時間變化。 j jL 2第6頁/共15頁第六頁，共16頁。S1接X通道,S2接Y通道，移動S2,得到如下李薩如圖形：0 j j2 j j j j 23 j j j j2 結(jié)論：每次出現(xiàn)重復(fù)圖形S2移動的距離為第7頁/共15頁第七頁，共16頁。信號源示波器超聲聲速測量儀第8頁/共15頁第八頁，共16頁。1、按實驗裝置圖接線，使發(fā)射頭和接收頭的端面盡量平行2、共振頻率，調(diào)整函數(shù)發(fā)生器的輸出頻率，使接收頭輸出的電信號幅度最大3、共振干涉法測波長，記錄示波器上波形相繼出現(xiàn)10個極大值所對應(yīng)的接收頭的坐標(biāo)4、相位比較法測波長

4、，記錄示波器上圖形相繼出現(xiàn)10個相同李薩如圖形時所對應(yīng)的接收頭的坐標(biāo)第9頁/共15頁第九頁，共16頁。1.逐差法計算波長，得到超聲波傳播速度16495101649510252251llllllLLLLLL位共fv2.計算超聲波在空氣中傳播速度的公認(rèn)值公認(rèn)v，求出兩種測量方法得到的v的相對誤差E0/30.331TTv公認(rèn)%100測量公認(rèn)測量vvvE 22512223/53/155/,3/01. 03/,fuuufBfiiABBAfuUHzUUUmmUUUU儀儀其中3.計算不確定度第10頁/共15頁第十頁，共16頁。n示波器不顯示駐波： 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出頻率，使頻率處于換能器的共振頻率上。n駐

5、波圖形太大或太?。?調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出振幅、示波器的增益，以獲得合適的圖形。n隨著兩換能器的間距增加，示波器顯示的圖形的會逐漸變小，可調(diào)節(jié)示波器的增益，以獲得合適的圖形。n相位法測量時，須采用與駐波法相同的頻率（即不可改變信號發(fā)生器的頻率）。第11頁/共15頁第十一頁，共16頁。1 逐差法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是什么？2 為什么換能器要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測量？3 能否雙顯法進(jìn)行測量？第12頁/共15頁第十二頁，共16頁。1 逐差法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是充分利用測量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)有取平均的效果。2 當(dāng)輸入電信號的頻率為諧振頻率時，壓電換能器產(chǎn)生機械諧振，此時產(chǎn)生的聲波幅度最大；當(dāng)外力的頻率等于諧振頻率

6、時，壓電換能器產(chǎn)生機械諧振，此時得到的電信號最強。3 能，將兩端信號都接入示波器，示波器上兩正弦波相鄰兩次相位相同點，接收端移動的距離為一個波長，從而測出波速。第13頁/共15頁第十三頁，共16頁。壓電換能器簡介 有些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生形變時，其表面會產(chǎn)生電荷，去掉外力時又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)；具有該效應(yīng)的物質(zhì)為壓電材料；利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的換能器叫做壓電換能器。 第14頁/共15頁第十四頁，共16頁。長江大學(xué)物理科學(xué)(kxu)與技術(shù)學(xué)院謝謝您的觀看(gunkn)！第15頁/共15頁第十五頁，共16頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)掌握用駐波法和相位比較法測量空氣中的聲速。一、 共振干涉(gnsh)法（駐波法）。利用示波器來觀測經(jīng)換能器S2產(chǎn)生的電信號波形，以確定振幅的最大位置。改變輸入信號頻率，觀察接收信號的變化。在某一頻率點處（約35