2023年實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板聲速測量

南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱:聲速測量學(xué)院：化學(xué)學(xué)院專業(yè)班級：應(yīng)化152班學(xué)生姓名：余富丁學(xué)號:實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：B104座位號：28實(shí)驗(yàn)時(shí)間:第8周星期8下午4點(diǎn)開始一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)會(huì)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(dòng)合成理論。3、學(xué)會(huì)逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)解決。4、了解壓電換能器的功能和培養(yǎng)綜合使用儀的能力。二、實(shí)驗(yàn)原理：聲速V、聲波頻率f和波長九之間的關(guān)系為v=fX可見,只要測得聲波的頻率f和波長九，就可求得聲速V。聲波頻率范圍信號發(fā)生器產(chǎn)生超聲波的頻率，直接由信號發(fā)生器顯示，所以只要測出聲波波長3即可擬定聲速，而測量波長常用的方法有駐波法和相位法。超聲波的發(fā)射與接受一一壓電陶瓷換能器聲速測定儀重要由兩只相同的壓電陶瓷換能器組成（圖20—1中的s1和S2）,它們分別用于超聲波的發(fā)射和接受。壓電陶瓷一般由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料（如鈦酸領(lǐng)、錯(cuò)鈦酸等）組成，具有壓電效應(yīng)。當(dāng)它們受外力作用形變時(shí)，表面上會(huì)出現(xiàn)電荷，去掉外力后電荷消失，這就是壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的，在兩表面上加一電壓時(shí)，雅典晶體發(fā)生形變，撤去電壓后又恢復(fù)原狀，此即逆壓電效應(yīng)。假如加上的電壓是頻率f超過20kHz的交流電,壓電材料就會(huì)因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生頻率也為f的周期性縱向收縮，從而壓迫空氣成為超生比的波源，圖20—1中的si換能器正是基于此原理而發(fā)射超聲波。同樣，壓電材料也可運(yùn)用壓電效應(yīng)，將聲場中聲壓的變化，用來接受信號，圖20-1中的s2換能器正是基于此原理將受收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號送入示波器顯示。雖然給電壓陶瓷加以壓力或電信號就會(huì)有壓電效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)，但是能量的轉(zhuǎn)換效率卻與所加信號的頻率有關(guān)。每個(gè)關(guān)于壓電陶瓷換能器都有一個(gè)諧振頻率f。，當(dāng)外加正弦交變壓力信號的頻率等于fo時(shí)，換句話說，壓電陶瓷換能器在諧振頻率下工作時(shí),作為接受器時(shí)靈敏度最高；作為發(fā)射器時(shí)輻射效率最高。所以，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的工作頻率，以使換能器諧振。駐波法測波長如右圖所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)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暡?，以超聲波形式發(fā)射出去。接受換能器通過聲電轉(zhuǎn)換，將聲波信號變?yōu)殡妷盒盘柡螅腿胧静ㄆ饔^測。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，通過空氣傳播，到達(dá)接受換能器。假如接受面和發(fā)射面嚴(yán)格平行，即入射波在接受面上垂直反射，入射波與反射波互相干涉形成駐波。此時(shí),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(dòng)而引起的超過靜態(tài)大氣壓強(qiáng)的那部分壓強(qiáng)）最小，而波節(jié)處聲壓最大。當(dāng)接受換能器的反射界面處為波節(jié)時(shí),聲壓效應(yīng)最大，經(jīng)接受器轉(zhuǎn)換成電信號后從示波器上觀測到的電壓信號幅值也是極大值，所以可從接受換能器端面聲壓的變化來判斷超聲波駐波是否形成。移動(dòng)卡尺游標(biāo)，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(shí)，兩換能器間的距離等于半波長的整數(shù)倍,只要我們監(jiān)測接受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(shí)（即接受器位于波節(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:丸=外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。3、3、相位比較法實(shí)驗(yàn)接線如下圖所示。波是振動(dòng)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(diǎn)的振動(dòng)位相逐個(gè)落后，各點(diǎn)的振動(dòng)位相又隨時(shí)間變化。聲波波源和接受點(diǎn)存在著位相差，而這位相差則可以通過比較接受換能器輸出的電信號與發(fā)射換能器輸入的正弦交變電壓信號的位相關(guān)系中得出，并可運(yùn)用示波器的李薩如圖形來觀測。位相差0和角頻率。、傳播時(shí)間t之間有如下關(guān)系:（p=cod同時(shí)有，①=2%〃=%,4=IV（式中T為周期）代入上式得：（p=—當(dāng)/二〃%（n=l,2,3,…）時(shí)，可得0=〃萬。由上式可知:當(dāng)接受點(diǎn)和波源的距離變化等于一個(gè)波長時(shí)，則接受點(diǎn)和波源的位相差也正好變化一個(gè)周期（即①二2冗）o實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過改變發(fā)射器與接受器之間的距離，觀測到相位的變化。當(dāng)相位差改變?nèi)邥r(shí)，相應(yīng)距離/的改變量即為半個(gè)波長。根據(jù)波長和頻率即可求出波速。三、實(shí)驗(yàn)儀器：信號發(fā)生器、雙蹤示波器、聲速測定儀。U!、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和環(huán)節(jié):U!、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和環(huán)節(jié):1、駐波法測波長由分析可知，相鄰兩個(gè)聲壓波節(jié)或者相鄰兩個(gè)聲壓波腹之間的距離也均為人/2。因此，當(dāng)移動(dòng)接受器端面到駐波的某一波節(jié)位置是，接受到的聲壓為波腹的位置，接受器轉(zhuǎn)換器的電信號在示波器上也最強(qiáng)。繼續(xù)移動(dòng)接受器端面到另一個(gè)位置時(shí)，若示波器再次出現(xiàn)最強(qiáng)的信號，則兩次接受器端面位置之間的距離就是相鄰兩個(gè)聲壓波腹之間的距離，即入/2。2、相位法測波長當(dāng)接受器和發(fā)射器的距離變化等于一個(gè)波長時(shí)，則發(fā)射信號與接受信號之間的相位差也正好變化一個(gè)周期，相同的李薩如就會(huì)出現(xiàn)。通過準(zhǔn)確觀測相位變化一個(gè)周期時(shí)接受器移動(dòng)的距離，即可以得出相應(yīng)的波長。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與解決：1、駐波法（共振干涉法）f=37.394kHz項(xiàng)目/mmS2坐標(biāo)/mmXiX2x3x4x5x6x7x8x9Xio24.74128.11533.73638.33643.16147.22252.05257.65862.13366.776逐差(5Zkx)X6-Xix7-x2X8-X3X9-X4Xio-X522.48123.93723.92223.79723.615(X/2=Ax)8.99249.57489.56889.51889.4460九的平均值9.42022、相位比較法f=37.499kHz項(xiàng)目/mmS2坐標(biāo)/mmXix2X3x4x5x6X7x8x9Xio11.32121.31229.47338.75047.30856.98966.69576.47585.23294.974逐差(5Ax)X6-XiX7-X2x8-x3X9-X4Xio-X545.66845.38347.00246.48247.666X(九/2=△X)18.26718.15318.80118.59319.066九的平均值18.5761、駐波法：波長入，A類不擬定度S/=〔(入1一入戶+(人比％)2+(入3?又)2+(入4?入)2+(入5?2]/4=[(8.9924-9.4202)2+(9.5748-9.4202)2+(9.5688-9.4202)2+(9.5188-9.4202)2+(9.4460-9.4202)2]/4=0.0599，所以S產(chǎn)0.2446mm,又B類不擬定度△儀=0.001mm,所以合成不擬定度U九二0.2446mmo對于頻率f,只有B類不擬定度△儀=0.001kHz;V=X-f=9.4202X37.394=352.259JnV=ln入+1nf所以V的不擬定度Uv=[(51nV/ainX)2-U/+(洌nv/dlnf)2-Uf2]05V=9.1466所以V=▽±Uv=352.259±9.1466,Uv=9.14662、相位比較法：波長入，A類不擬定度5入2=〔(入L入)2+(入2?，了+(入3?又)2+(入4?%)2+(入5?%)?〕/4=[(18.267-18.576)2+(18.153-18.576)2+(18.801-18.576)2+(18.593-18.576)2+(19.066-18.576)21/4=0.1414,所以Sx=0.3760mm，又B類不擬定度△儀=0.001mm,所以合成不擬定度U九二0.3760mm。

對于頻率f,只有B類不擬定度△儀=0.001kHz；V=X-f=18.576X37.499=696.581,InV=1nX+1nf所以V處擬定度Uv=[(aInV/ainX)2-Ux2+(ainv/51nf)2?Uf2]0-5-V=14.10O所以V=q±Uv=696.581±4.100,Uv=14.100六、誤差分析:六、誤差分析:1、測量時(shí)頻率會(huì)不斷變化，有時(shí)候指示燈會(huì)忽亮忽滅，所以會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。2、示波器上判斷極大值的位置不準(zhǔn)確,以及在發(fā)射換能器和接受換能器之間不是嚴(yán)格的駐波場。七、實(shí)驗(yàn)總結(jié):實(shí)驗(yàn)看起