空氣中聲速測定與示波器使用

1、空氣中聲速測定與示波器使用一、學(xué)會應(yīng)用振幅法和相位法測定空氣一、學(xué)會應(yīng)用振幅法和相位法測定空氣中的聲速；中的聲速；二、學(xué)習信號發(fā)生器、示波器的使用；二、學(xué)習信號發(fā)生器、示波器的使用；三、利用示波器進行不同信號的測量，三、利用示波器進行不同信號的測量，并掌握測量后的數(shù)據(jù)處理過程。并掌握測量后的數(shù)據(jù)處理過程。實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?聲的發(fā)生是由于發(fā)聲體的機械振動，引起周圍彈性介質(zhì)中質(zhì)點的振動由近及遠的傳播，這就是聲波。聲波是一種機械波。人耳所能聽人耳所能聽聞的聲波其頻率在聞的聲波其頻率在2020000Hz之間之間，頻率在2020000Hz以外的聲波不能引起聲音的感覺。頻率超過頻率超過20000Hz的叫做

2、超聲波的叫做超聲波，頻率低于頻率低于20Hz的叫做次聲波的叫做次聲波。超聲波的頻率可以高達911Hz，而次聲波的頻率可以低達9-8Hz。聲波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。聲波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。 聲波的頻率界限示意圖 聲的概念不再局限于聽覺范圍，聲的概念不再局限于聽覺范圍，幾乎是振動和機械波的同義詞。幾乎是振動和機械波的同義詞。超聲波介紹超聲波介紹超聲波B型顯示切面成像超聲手術(shù)超聲清洗盲人導(dǎo)盲倒車雷達系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)用用實實例例 超聲波的傳播特性超聲波的傳播特性1. 傳播速度與其頻率無關(guān)，只取決于介質(zhì)的密度和彈性特性等。傳播速度與其頻率無關(guān)，只取決于介質(zhì)的密度和彈

3、性特性等。空氣空氣水水鋼鋼, 橫波橫波鋼鋼, 縱波縱波約約330 m/s1480 m/s3250 m/s5920 m/s例如：例如：2. 在通過兩種不同的介質(zhì)時，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象。在通過兩種不同的介質(zhì)時，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象。 強反射 雙折射 無反射 單折射 具有相反位相的強反射 無折射水 鋼銅 鋼鋼 空氣例如：例如：3. 在通過同種介質(zhì)時，隨著傳播距離的增加，其強度因介質(zhì)在通過同種介質(zhì)時，隨著傳播距離的增加，其強度因介質(zhì)吸收能量而減弱。吸收能量而減弱。 介質(zhì)的吸收程度與頻率與介質(zhì)密度有很大關(guān)系。氣體很小，故超聲波在其中衰減很快，尤其在頻率較高時衰減更快。故超聲波儀表主要用于固體及液體中。 1

4、.1.在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲波，如圖聲波，如圖: :超聲波的發(fā)生:外加電場使晶體產(chǎn)生形變超聲波的接收：外力使晶體產(chǎn)生電荷超聲波的發(fā)生和接收超聲波的發(fā)生和接收 2.超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進行工作的，如圖：超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進行工作的，如圖： 當一個振動系統(tǒng)受到另一個系統(tǒng)周期性的激勵當一個振動系統(tǒng)受到另一個系統(tǒng)周期性的激勵時，若激勵系統(tǒng)的激勵頻率與振動系統(tǒng)的固有時，若激勵系統(tǒng)的激勵頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率相同時，振動系統(tǒng)將獲得最大的激勵能量，頻率相同時，振動系

5、統(tǒng)將獲得最大的激勵能量，此現(xiàn)象稱為共振（諧振）。此現(xiàn)象稱為共振（諧振）。 實驗中使用的超聲壓電陶瓷換能器具有固有諧實驗中使用的超聲壓電陶瓷換能器具有固有諧振頻率，當換能器系統(tǒng)的工作頻率等于諧振頻振頻率，當換能器系統(tǒng)的工作頻率等于諧振頻率時，換能器處于諧振狀態(tài)，發(fā)射器發(fā)出的超率時，換能器處于諧振狀態(tài)，發(fā)射器發(fā)出的超聲波功率最大，是最佳工作狀態(tài)。聲波功率最大，是最佳工作狀態(tài)。 共振（諧振）頻率共振（諧振）頻率諧振頻率的調(diào)整改變信號發(fā)生器的頻率時，看到 聲波的傳播速度是描述聲波在介質(zhì)中傳播特性的一個基本物理量。聲速與聲波頻率f 和波長有如下基本關(guān)系： 因此，在實驗中測出聲波的頻率和波長，即可求出聲速

6、。 上式中： 聲波的頻率f就是低頻信號發(fā)生器輸出頻率，其值可由信號發(fā)生器或示波器直接讀出。 聲波的波長常用以下方法測量： 1.振幅法（共振駐波法） 2. 相位法 行波比較法 李薩如圖法聲速測量的實驗原理聲速測量的實驗原理f1. 振幅法振幅法S1發(fā)射S2反射干涉而成駐波L聲波波長的測量方法聲波波長的測量方法 假設(shè)發(fā)射波和反射波為頻率相同、振幅相等的兩列波和他們的波方程分別為 合成波的波方程：) 1 ()cos(1kxtAy)2()cos(2kxtAy) 3(coscos221tkxAyyy駐波（駐波（Standing wave）1|cos|kx,.2, 1, 02nnxkxx 當兩個換能器之間的

7、距離當兩個換能器之間的距離, ,等于半波長的整數(shù)倍時等于半波長的整數(shù)倍時將發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達到極大。將發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達到極大。 x利用振幅法（共振駐波法）測量波長 將換能器的接收端接入示波器的CH1通道，當改變換能器之間的距離時2. 行波比較法（行波比較法（ traveling wave method ）沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態(tài)相同（相沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態(tài)相同（相位差為位差為2 2的整數(shù)倍）時，兩點間的距離應(yīng)等于波的整數(shù)倍）時，兩點間的距離應(yīng)等于波長長的整數(shù)倍，即的整數(shù)倍，即: :nl (n=positive integer) 利用行波

8、比較法測量波長 保持剛才的接線，同時將發(fā)射波接入CH2, 選擇觸發(fā)與發(fā)射波同步，當改變換能器之間的距離時3. 李薩如圖法李薩如圖法nIncidence signalnReflected signalnCompositional signal)cos(11tAx)cos(22tAy)(sin)cos(2)()(12212212221AAxyAyAx24434547223012利用李薩如圖法測量波長 保持剛才的接線，水平顯示選擇X-Y，當改變換能器之間的距離時實驗儀器實驗儀器 聲速測量儀，聲速測量儀， 信號發(fā)生器，示波器信號發(fā)生器，示波器 Signal generator (信號發(fā)生器信號發(fā)生器)

9、 Oscilloscope (示波器示波器) 聲速測量儀聲速測量儀讀數(shù)裝置壓電陶瓷換能器標尺底座頻率調(diào)節(jié)頻率顯示開關(guān)頻率選擇范圍波形選擇信號輸出幅度調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)GFG-8255A型信號發(fā)生器型信號發(fā)生器示波管示波管（Cathode Ray Tube,縮寫為CRT）放大系統(tǒng)衰減系統(tǒng)掃描系統(tǒng)同步系統(tǒng)電源示波器示波器(Oscilloscope )示波管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示波管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 1.示波管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示波管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 示波管是把電信號變成光信號的轉(zhuǎn)換器，主要包括電子槍（由陰極、柵極和陽極組成）、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏。 2.示波器顯示原理示波器顯示原理 Another set of two p

10、lates creates a horizontal electric field, which deflects the electrons in the horizontal direction. By controlling the two voltages and fields, the electrons can be directed anywhere on the screen! You can draw different figures and pictures. 如果被觀察信號的周期與鋸齒形電壓的周期完全一致，或者前者是后如果被觀察信號的周期與鋸齒形電壓的周期完全一致，或者

11、前者是后者的整數(shù)倍時，者的整數(shù)倍時，屏幕上的圖形將通過一次次掃描得到同步再現(xiàn)，從而形成屏幕上的圖形將通過一次次掃描得到同步再現(xiàn)，從而形成穩(wěn)定的顯示曲線。穩(wěn)定的顯示曲線。 Even rotation of the drum even motion of the electron beam along the x-direction. Motion of the pen in y-direction deviation of the beam in y-direction proportional to the measured voltage. A question: The electron

12、beam moving along x-direction reaches the end of the screen at some point and has to jump back and start writing again from the beginning of the screen. How come that you normally only see one curve on the screen at any time?By the way, how fast does the beam go from left to right?The answer is trig

13、gering.After drawing one curve (sinusoidal, triangular, square) on the screen the electron beam returns back to its starting point, but it does not start drawing another curve, before the voltage reaches some preset value trigger level. trigger level3.示波器顯示李薩如圖示波器顯示李薩如圖 當兩個正弦信號的頻率之比為整數(shù)時，其軌跡是一個穩(wěn)定的閉合曲

14、線當兩個正弦信號的頻率之比為整數(shù)時，其軌跡是一個穩(wěn)定的閉合曲線，這種曲線稱為李薩如圖，這種曲線稱為李薩如圖(Lissajous Figures )(Lissajous Figures )。結(jié)論：如果已知一個信號的頻率，可求出另一信號的頻率。結(jié)論：如果已知一個信號的頻率，可求出另一信號的頻率。 21yxxynnff水平線線直垂例如： 24434547223012 相同頻率不同相位時的李薩如圖形 同相位同相位利用李薩如圖比較兩個信號之間的相位差：利用李薩如圖比較兩個信號之間的相位差： 不斷改變一個輸入信號的相位，直線向右傾斜的橢圓、正橢不斷改變一個輸入信號的相位，直線向右傾斜的橢圓、正橢圓、向左傾

15、斜的橢圓、向左傾斜的直線圓、向左傾斜的橢圓、向左傾斜的直線.1.用示波器觀察接收器輸出的電信號，并調(diào)節(jié)出壓電陶瓷的諧振頻率。2. 共振駐波法測波長共振駐波法測波長，記錄示波器上波形相繼出現(xiàn)12個聲壓最大時接收換能器的位置坐標。3. 行波比較法測波長行波比較法測波長，記錄示波器上波形相繼出現(xiàn)12個相同點的接收換能器的位置坐標。4. 李薩如圖法測波長李薩如圖法測波長，記錄示波器上圖形相繼出現(xiàn)12個相同李薩如圖形時所對應(yīng)的接收換能器的位置坐標。實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理及要求數(shù)據(jù)處理及要求逐差法：一般用于自變量等間隔測量且其逐差法：一般用于自變量等間隔測量且其測量誤差可以略去情況下的數(shù)據(jù)處理。測量誤差可以略去情況下的數(shù)據(jù)處理。優(yōu)點是：充分利用各個測量數(shù)據(jù)，減小測優(yōu)點是：充分利用各個測量數(shù)據(jù)，減小測量誤差和擴大測量范圍。量誤差和擴大測量范圍。 應(yīng)用的一般條件是：處理等間隔線性變化應(yīng)用的一般條件是：處理等間隔線性變化的測量數(shù)據(jù)。的測量數(shù)據(jù)。采用逐差法處理數(shù)據(jù)的詳細步驟：采用逐差法處理數(shù)據(jù)的詳細步驟：（1 1） 將測量列按次序分為高低兩組將測量列按次序分為高低兩組 （2 2）取對應(yīng)項的差值后再求平均：）取對應(yīng)項的差值后再求平均： 其中其中, , 為為6 6個峰值間的距離，即個峰值間的距離，即: :;