大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-聲速測(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(guò)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(jiàn)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 f (1)由(1)式可知，測(cè)得聲波的頻率和波長(zhǎng)，就

2、可以得到聲速。同樣，傳播速度亦可用v L/t(2)表示，若測(cè)得聲波傳播所經(jīng)過(guò)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，圖中與和歷為壓電晶體換能器，S】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；S?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)熱和引的表面近似平行時(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A1,二 口 町，n = 0，1 * 2. (3)時(shí)，S1發(fā)出的聲波與其反射聲波的相位在S處差2fm(n=1, 2)，因此形成共振。因?yàn)榻邮掌?的表

3、面振動(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(jiàn)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。知I 留言Z(cm)圖2接受器表曲聲壓隨距離的變化2 .相位比較法波是振動(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

4、示，沿波的傳播方向移動(dòng)接收器2,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)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n時(shí)，橢圓變成傾斜的直線(xiàn)。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(guò)一段距離的傳播后，該脈沖信號(hào)被 3?接收，再將該信號(hào)返回信號(hào)源，經(jīng)信號(hào)源內(nèi)部線(xiàn)路分析、比較處理后輸出脈沖信號(hào)在1、%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)

5、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2個(gè)極大值的位置，并依次算出每經(jīng)過(guò)個(gè)入的距離為這樣就很容易計(jì)算出幾如測(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(lèi)似方法計(jì)算即可?！緦?shí)驗(yàn)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v 二% 乂 1 1 + 273 15 =34l Q19m/t1 .共振干涉法頻率使用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理過(guò)程由C+取序完成，程序如下#include#includeusing namespace std 。constint n=10 。const double f= 。const double L2*n=, , 。double

6、 LMD=0int main()for (inti=0 。 in。i+) LMD+=(Ln+i-Li)*2/n/n。printf(v=%.3lfn,LMD*f*2) 。system(pause)。編p .12345678910L(mm)編p .11121314151617181920L(mm)return 0 。此程序運(yùn)行結(jié)果為：v= m/s2 .相位比較法頻率使用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理過(guò)程由C+取序完成，程序如下#include#includeusing namespace std 。constint n=5 。const double f= 。const double L2*n=, ,

7、, double LMD=0。int main()for (inti=0 。 in。 i+) LMD+=(Ln+i-Li)/n/n。printf(v=%.3lfn,LMD*f) 。system(pause)。return 0 。編號(hào)12345678T/ w s4001413428442458P 472487501L/mm此程序運(yùn)行結(jié)果為：v= m/s3 .時(shí)差法測(cè)量空氣中聲速 計(jì)算機(jī)作圖如下:編p .12345678910L(mm)編號(hào)12345678T/ w s9497101104107111114117L/mmT/ps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 = m/s4

8、 .時(shí)差法測(cè)量液體中聲速計(jì)算機(jī)作圖如下：14514013513012512011511010510090找 100105110115120T/ps計(jì)算機(jī)計(jì)算得v = m/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(xiàn)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)。

9、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)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 為這個(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(xiàn)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(mǎn)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(guò)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(guò)大時(shí)，接受器將提前接收到信號(hào)，這樣測(cè)得的時(shí)間將偏小，導(dǎo)致最后計(jì)算出的聲速偏大?！緜€(gè)人想法】