大學物理實驗報告聲速的測量

1、實驗報告聲速的測量【實驗目的】1. 學會用共振干涉法、相位比較法以及時差法測量介質中的聲速2. 學會用逐差法進行數(shù)據(jù)處理；3. 了解聲速與介質參數(shù)的關系?！緦嶒炘怼坑捎诔暡ň哂胁ㄩL短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點。在超聲波段進行聲速測量的優(yōu)點還在于超聲波的波長短，可以在短距離較精確的測出聲速。超聲波的發(fā)射和接收一般通過電磁振動與機械振動的相互轉換來實現(xiàn)，最常見的方法是利用壓電效應和磁致伸縮效應來實現(xiàn)的。本實驗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械振動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的關系為：v=x-f(1)由(1)式可知，測得聲波的頻率和波長，就可

2、以得到聲速。同樣，傳播速度亦可用V=L/(2)表示，若測得聲波傳播所經(jīng)過的距離L和傳播時間t,也可獲得聲速。1. 共振干涉法實驗裝置如圖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)生器輸出的交流電信號激勵后，由于逆壓電效應發(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來回反射，當兩個平面間距L為半波長的整倍數(shù)，即(3)時，發(fā)出的聲波與其反射聲波的相位在處差(n=l,2)，因此形成共振。因為接收器的表面振動位移可以忽略，所以對位移來說是波節(jié)，對聲壓來說是波腹。本實驗測量的是聲壓，所以當形成

3、共振時，接收器的輸出會出現(xiàn)明顯增大。從示波器上觀察到的電信號幅值也是極大值(參見圖2)。圖中各極大之間的距離均為，由于散射和其他損耗，各級大致幅值隨距離增大而逐漸減小。我們只要測出各極大值對應的接收器的位置，就可測出波長。由信號源讀出超聲波的頻率值后，即可由公式(1)求得聲速。波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。沿波傳播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(shù)倍。利用這個原理，可以精確的測量波長。實驗裝置如圖1所示，沿波的傳播方向移動接收器，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。同樣也可以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

4、源的信號，它們的頻率嚴格一致，所以李薩如圖是橢圓，橢圓的傾斜與兩信號的位相差有關，當兩信號之間的位相差為0或時，橢圓變成傾斜的直線。3.時差法用時差法測量聲速的實驗裝置仍采用上述儀器。由信號源提供一個脈沖信號經(jīng)發(fā)出一個脈沖波，經(jīng)過一段距離的傳播后，該脈沖信號被接收，再將該信號返回信號源，經(jīng)信號源內部線路分析、比較處理后輸出脈沖信號在、之間的傳播時間t，傳播距離L可以從游標卡尺上讀出，采用公式(2)即可計算出聲速。4. 逐差法處理數(shù)據(jù)在本實驗中，若用游標卡尺測出個極大值的位置，并依次算出每經(jīng)過個的距離為這樣就很容易計算出。如測不到20個極大值，則可少測幾個（一定是偶數(shù)），用類似方法計算即可。實驗

5、數(shù)據(jù)記錄、實驗結果計算】實驗時室溫為16C，空氣中聲速的理論值為1共振干涉法頻率編號:12345678910L(mm)50.0052.5854.4157.4659.6362.4064.4667.3770.6072.16編號:11121314151617181920L(mm)74.0177.0079.0181.8483.8086.9288.7891.6693.3196.49使用逐差法進行數(shù)據(jù)處理，處理過程由C+程序完成，程序如下#include#includeusingnamespacestd;constintn=10;constdoublef=35.617;constdoubleL2*n=50

6、.00,52.58,54.41,57.46,59.63,62.40,64.46,67.37,70.60,72.16,74.01,77.00,79.01,81.84,83.80,86.92,88.78,91.66,93.31,96.497doubleLMD=0;intmain()for(inti=0;in;i+)LMD+=(Ln+i-Li)*2/n/n;printf(v=%.3lfn,LMD*f*2);system(pause);return0;此程序運行結果為：v二344.461m/s;2相位比較法頻率使用逐差法進行數(shù)據(jù)處理，處理過程由C+程序完成，程序如下#include#includeus

7、ingnamespacestd;constintn=5;constdoublef=35.618;編號:12345678910L(mm)54.8264.4174.0283.7493.40103.06112.90122.36131.86141.09constdoubleL2*n=54.82,64.41,74.02,83.74,93.40,103.06,112.90,122.36,131.86,141.09;doubleLMD=0;intmain()for(inti=0;in;i+)LMD+=(Ln+i-Li)/n/n;printf(v=%.3lfn,LMD*f);system(pause);ret

8、urn0;此程序運行結果為：v二343.187m/s3時差法測量空氣中聲速編號12345678T/“s400413428442458472487501L/mm56.8055.8666.8171.8576.8281.8386.8191.86計算機作圖如下：編號12345678EE/-J5o9g55由于第二組數(shù)據(jù)，存在較大誤差，因此將其去掉。計算機計算得v=344.41m/sT/“s9497101104107111114117L/mm105.24110.02115.00120.05125.04130.06135.01140.054時差法測量液體中聲速計算機作圖如下：1401259095100105

9、115120135-130-120-115-110-爸原始數(shù)據(jù)點-強形擬徉直線計算機計算得1449.43m/s分析討論】1關于誤差其實做這個實驗需要極其精細的操作。為了得到更精確的結果，不僅要每個人時刻集中精力觀察儀器，操作儀器，而且需要兩個人的默契配合。當然，還是有一些最基本的需要注意的地方，如操作距離旋鈕時，旋轉最好不要太快，接近讀數(shù)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。觀察李薩如圖像時應選取水平或垂直線段中的一者為標準，否則無法判斷移動的是波長還是半波長。此時應將圖像盡量放大，因為觀察重合時圖像較小會導致誤差很大。當然最終測得的結

10、果還是有一定的誤差，但誤差已經(jīng)很小了。觀察測得得空氣中聲速發(fā)現(xiàn)幾種測量方法的測量結果都偏大，一個重要的原因就是空氣中含有水蒸汽及其它雜質，聲音在這些物質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量結果都偏大。而使用相位法測得的結果與真實值最接近，因為這個方法觀察圖像時，是在圖像變化到重合時讀數(shù)，判斷圖像重合成直線是相對容易的，所以誤差會較小?！舅伎碱}】1、為什么換能器要在諧振頻率條件下進行聲速測定？答：因為在諧振頻率下，反射面之間的聲壓達極大值。這樣從示波器上觀察到的電壓信號幅值為最大，從而更利于觀察。2、要讓聲波在兩個換能器之間產(chǎn)生共振必須滿足那些條件？答：1、兩個換能器的發(fā)射面與接受面互相平行。2、兩個換能器間的距離為半波長的整數(shù)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性？答：比如超聲波定位系統(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，易被反射等特性。4、在時差法測量中，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，接受器將提前接收到信號，這樣測得的時間