聲速測量實驗報告

1、聲速測量實驗報告【實驗?zāi)康摹?. 學(xué)會測量超聲波在空氣中的傳播速度的方法。2. 理解駐波和振動合成理論。3. 學(xué)會用逐差法進行數(shù)據(jù)處理。4. 了解壓電換能器的功能和培養(yǎng)綜合使用儀器的能力?！緦嶒瀮x器】信號發(fā)生器、雙蹤示波器、聲速測定儀。【實驗原理】聲波的傳播速度與聲波頻率和波長的關(guān)系為：可見，只要測出聲波的頻率和波長，即可求出聲速?？捎陕曉吹恼駝宇l率得到，因此，實驗的關(guān)鍵就是如何測定聲波波長。根據(jù)超聲波的特點，實驗中可以采用駐波法和相位法測出超聲波的波長。1. 駐波法（共振干涉法）如右圖所示，實驗時將信號發(fā)生器輸出的正弦電壓信號接到發(fā)射超聲換能器上，超聲發(fā)射換能器通過電聲轉(zhuǎn)換，將電壓信號變?yōu)槌?/p>

2、聲波，以超聲波形式發(fā)射出去。接收換能器通過聲電轉(zhuǎn)換，將聲波信號變?yōu)殡妷盒盘柡?，送入示波器觀察。由聲波傳播理論可知，從發(fā)射換能器發(fā)出一定頻率的平面聲波，經(jīng)過空氣傳播，到達接收換能器。如果接收面和發(fā)射面嚴格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波與反射波相互干涉形成駐波。此時，兩換能器之間的距離恰好等于其聲波半波長的整數(shù)倍。在聲駐波中，波腹處聲壓（空氣中由于聲擾動而引起的超出靜態(tài)大氣壓強的那部分壓強）最小，而波節(jié)處聲壓最大。當接收換能器的反射界面處為波節(jié)時，聲壓效應(yīng)最大，經(jīng)接收器轉(zhuǎn)換成電信號后從示波器上觀察到的電壓信號幅值也是極大值，所以可從接收換能器端面聲壓的變化來判斷超聲波駐波是否形成。移動卡

3、尺游標，改變兩只換能器端面的距離，在一系列特定的距離上，媒質(zhì)中將出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象，此時，兩換能器間的距離等于半波長的整數(shù)倍，只要我們監(jiān)測接收換能器輸出電壓幅度的變化，記錄下相鄰兩次出現(xiàn)最大電壓數(shù)值時（即接收器位于波節(jié)處）卡尺的讀數(shù)（兩讀數(shù)之差的絕對值等于半波長），則根據(jù)公式：就可算出超聲波在空氣中的傳播速度，其中超聲波的頻率可由信號發(fā)生器直接讀得。2.相位比較法實驗接線如下圖所示。波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。在聲波傳播方向上，所有質(zhì)點的振動位相逐一落后，各點的振動位相又隨時間變化。聲波波源和接收點存在著位相差，而這位相差則可以通過比較接收換能器輸出的電信號與發(fā)射換能器輸入的

4、正弦交變電壓信號的位相關(guān)系中得出，并可利用示波器的李薩如圖形來觀察。位相差和角頻率、傳播時間t之間有如下關(guān)系： 同時有，（式中T為周期）代入上式得： 當 （n=1，2，3，.）時，可得。由上式可知：當接收點和波源的距離變化等于一個波長時，則接收點和波源的位相差也正好變化一個周期（即=2）。實驗時，通過改變發(fā)射器與接收器之間的距離，觀察到相位的變化。當相位差改變時，相應(yīng)距離的改變量即為半個波長。根據(jù)波長和頻率即可求出波速。3.超聲波的發(fā)射與接收壓電陶瓷換能器聲速測定儀如下圖所示，在支架和絲杠上相向安置兩個固有頻率相同的壓電陶瓷換能器，左端支架上固定的是發(fā)射換能器，右端可移動底座安裝的是接收換能器

5、，當旋轉(zhuǎn)帶刻度手輪及借助螺旋測微裝置，就可精密地調(diào)節(jié)并測出兩換能器之間的距離。 下圖中兩換能器的核心元件（壓電片）都是由壓電材料（如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷等）做成，壓電材料具有正壓電效應(yīng)（在應(yīng)力作用下兩極產(chǎn)生異號電荷，兩極間產(chǎn)生電位差）和逆壓電效應(yīng)（壓電材料兩端間加上外加電壓時能產(chǎn)生應(yīng)變）。利用上述可逆效應(yīng)將壓電材料制成的壓電換能器可以實現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。當左邊壓電換能器S1處于交變電場中時，利用逆壓電效應(yīng)可以把電能轉(zhuǎn)換為聲能作為聲波發(fā)生器；而右邊壓電換能器S2則是利用正壓電效應(yīng)，將接收的聲振動轉(zhuǎn)化成電振動作為聲波接收器?！緦嶒瀮?nèi)容】1.用駐波法（共振法）測聲速：按圖連接裝置，將信號源調(diào)至壓

6、電陶瓷換能器的固有頻率，示波器疊加方式用“Y2”，內(nèi)觸發(fā)電源亦選“Y2”或“Y1/Y2”，連續(xù)改變接收器位置，觀察聲壓變化與接收器位置的關(guān)系，由此測定超聲波波長。2.用相位比較法（李薩如圖形法）測聲速：按圖連接儀器裝置，示波器疊加方式用“交替”或“斷續(xù)”，內(nèi)觸發(fā)電源選“Y2”，按下示波器的“X-Y”鍵，改變接收器位置，通過李薩如圖形測定超聲波波長。【數(shù)據(jù)處理】1. 駐波法（共振干涉法）數(shù)據(jù)表1 37.022 KHz項目S2坐標（mm）X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18X19X2024.02728.69633.26838.97342.641

7、47.37552.15257.86262.56866.22871.97176.87380.47285.19889.70294.66599.248104.842109.143113.792逐差(10)X11X1X12X2X13X3X14X4X15X5X16X6X17X7X18X8X19X9X20X1047.94448.17747.20446.22547.06147.29047.12346.98046.57547.5649.58889.63549.44089.24509.41229.45809.42469.39609.31509.5128的平均值9.44286根據(jù)逐差法處理數(shù)據(jù)，先算出的平均值，再

8、算出其標準偏差，為儀器誤差取0.001mm；合成不確定度對于頻率，只有類不確定度 的不確定度結(jié)果： 2.相位比較法數(shù)據(jù)表2 37.022 KHz項目S2坐標（mm）X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18X19X2085.15395.359105.869114.261123.548133.959141.377151.721161.069170.524179.714189.052198.484208.893217.312226.520236.012245.341254.640265.137逐差（10）X11X1X12X2X13X3X14X4X15

9、X5X16X6X17X7X18X8X19X9X20X1094.56193.36392.61594.63293.76492.56193.63593.62093.57194.6139.45619.33639.26159.46329.37649.25619.36359.36209.35719.4613的平均值9.36935根據(jù)逐差法處理數(shù)據(jù)，先算出的平均值，再算出其標準偏差，為儀器誤差取0.001mm；合成不確定度對于頻率，只有類不確定度 的不確定度結(jié)果： 【相關(guān)知識】 機械振動在介質(zhì)中的傳播稱為機械波。聲波就是這種機械波。人耳能聽到的聲波稱為可聞聲波，頻率在20Hz一20kHz之間，頻率低于20Hz的聲波是次聲波，頻率高于20kHz的聲波則稱為超聲波。聲波在介質(zhì)中傳播速度取決于介質(zhì)的性質(zhì)，可利用聲速的測量來研究介質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)的變化。而實際測量中并不是所有頻率的聲波都可測量。次聲波頻率低，波長大，難以測量；可聞聲波干擾大。只有超聲波適于測量，因其方向性好，能量集中，故實際測量頻率20kHz以上的超聲波信號。【注意事項】 1正確使用信號發(fā)生器及示波器；實驗時一般將信號源輸出調(diào)至峰-峰值V左右。2用聲速測量儀測定波長時，應(yīng)注意單方向（一般是超聲波的傳播方向）移動接收器，否則將會產(chǎn)生螺距間隙差。3注意恰當選擇示波器的“掃描速度調(diào)節(jié)（SEC/DIV）”及“電壓調(diào)節(jié)（VOLTS/DIV