大學(xué)物理仿真試驗(yàn)報(bào)告-超聲波測(cè)速

大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)：超聲波測(cè)聲速2009-11-18第1頁共8頁大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)間：2009.11.18實(shí)驗(yàn)人：XXX班級(jí)：XXX學(xué)號(hào)：XXXX實(shí)驗(yàn)名稱：超聲波測(cè)聲速試驗(yàn)?zāi)康模?.了解超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射、和接收方法；2.用駐波法、相位比較法測(cè)量聲速。實(shí)驗(yàn)儀器：SV-DH系列聲速測(cè)試儀，示波器，聲速測(cè)試儀信號(hào)源。實(shí)驗(yàn)原理：由波動(dòng)理論可知，波速與波長(zhǎng)、頻率有如下關(guān)系：v=fλ，只要知道頻率和波長(zhǎng)就可以求出波速。本實(shí)驗(yàn)通過低頻信號(hào)發(fā)生器控制換能器，信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率就是聲波頻率。聲波的波長(zhǎng)用駐波法（共振干涉法）和行波法（相位比較法）測(cè)量。下圖是超聲波測(cè)聲速實(shí)驗(yàn)裝置圖。1.駐波法測(cè)波長(zhǎng)由聲源發(fā)出的平面波經(jīng)前方的平面反射后，入射波與發(fā)射波疊加，它們波動(dòng)方程分別是：疊加后合成波為：振幅最大的各點(diǎn)稱為波腹，其對(duì)應(yīng)位置：振幅最小的各點(diǎn)稱為波節(jié)，其對(duì)應(yīng)位置：因此只要測(cè)得相鄰兩波腹（或波節(jié)）的位置Xn、Xn-1即可得波長(zhǎng)。2.相位比較法測(cè)波長(zhǎng)從換能器S1發(fā)出的超聲波到達(dá)接收器S2，所以在同一時(shí)刻S1與S2處的波有一相位差：。因?yàn)閤改變一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，相位差就改變2π。利用李薩如圖形就可以測(cè)得超聲波的波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟：1．接線2．調(diào)整儀器（1）示波器的使用與調(diào)整使用示波器時(shí)候，請(qǐng)先調(diào)整好示波器的聚焦。然后鼠標(biāo)單擊示波器的輸入信號(hào)的接口，把信號(hào)輸入示波器。接著調(diào)節(jié)通道1，2的幅度微調(diào)，掃描信號(hào)的時(shí)基微調(diào)。最后選擇合適的垂直方式選擇開關(guān)，觸發(fā)源選擇開關(guān)，內(nèi)觸發(fā)源選擇開關(guān)，Auto-Norm-X-Y開關(guān)，在示波器上顯示出需要觀察的信號(hào)波形。輸入信道的信號(hào)是由實(shí)驗(yàn)線路的連接決定的。（2）信號(hào)發(fā)生器的調(diào)整根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求調(diào)整信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生頻率大概在35KHz左右，幅度為5V的一個(gè)正弦信號(hào)。由于本實(shí)驗(yàn)測(cè)聲速的方法需要通過換能器（壓電陶瓷）共振把電信號(hào)轉(zhuǎn)為聲信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)為電信號(hào)進(jìn)行的，所以在開始測(cè)量前需要調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率為換能器的共振頻率。在尋找共振頻率時(shí)，通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的微調(diào)旋鈕，觀察示波器上信號(hào)幅度是否為最大來逐步尋找的。

（3）超聲速測(cè)定儀的使用在超聲速測(cè)定儀中，左邊的換能器是固定的，右邊的換能器是與游標(biāo)卡尺的滑動(dòng)部分連接在一起的。這樣，左右換能器間的距離就可以通過游標(biāo)卡尺來測(cè)量出來，在上圖的下半部分是一個(gè)放大的游標(biāo)卡尺的讀數(shù)圖。3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容尋找到超聲波的頻率（就是換能器的共振頻率）后，只要測(cè)量到信號(hào)的波長(zhǎng)就可以求得聲速。我們采用駐波法和相位比較法來測(cè)量信號(hào)波長(zhǎng):（1）駐波法信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)通過超聲速測(cè)定儀后，會(huì)在兩個(gè)換能器件之間產(chǎn)生駐波。改變換能器之間的距離（移動(dòng)右邊的換能器）時(shí)，在接收端(把聲信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)的換能器)的信號(hào)振幅會(huì)相應(yīng)改變。當(dāng)換能器之間的距離為信號(hào)波長(zhǎng)的一半時(shí)，接受端信號(hào)振幅為最大值。實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)示波器的垂直方式選擇開關(guān)，觸發(fā)源選擇開關(guān)，內(nèi)觸發(fā)源選擇開關(guān)，Auto-Norm-X-Y開關(guān)，使屏幕上顯示出接受端信號(hào)，圖見前面“調(diào)整儀器”中“示波器的使用與調(diào)整”部分。然后，一邊移動(dòng)右邊換能器，一邊觀察示波器上的信號(hào)幅度。當(dāng)信號(hào)幅度為最大值時(shí)，通過放大的游標(biāo)卡尺讀出此時(shí)換能器間的距離。兩個(gè)相鄰的信號(hào)幅度最大時(shí)換能器間的距離差就是波長(zhǎng)的一半。（2）相位比較法由于兩個(gè)換能器間有距離，這樣在兩個(gè)換能器處的信號(hào)有一相位差。當(dāng)換能器間距離改變一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，相位差改變2p。實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)示波器的垂直方式選擇開關(guān)，觸發(fā)源選擇開關(guān)，內(nèi)觸發(fā)源選擇開關(guān)，Auto-Norm-X-Y開關(guān)，使屏幕上顯示出兩個(gè)換能器端信號(hào)產(chǎn)生的李撒如圖(見圖11)。然后，一邊移動(dòng)右邊換能器，一邊觀察示波器上的李撒如圖。當(dāng)觀察到兩個(gè)信號(hào)的相位差改變2時(shí)，通過放大的游標(biāo)卡尺讀出此時(shí)換能器間的距離。注意事項(xiàng)：1．確保換能器S1和S2端面的平行。2．信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率與壓電換能器諧振頻率f0保持一致。

實(shí)驗(yàn)經(jīng)過及數(shù)據(jù)記錄：（1）駐波法測(cè)聲速連線如圖調(diào)節(jié)各儀器到如下圖所示狀態(tài)（所示波峰峰值最大）：讀數(shù)：3.98mm；再調(diào)節(jié)聲速測(cè)試儀，使所示波峰峰值重新達(dá)到最大讀數(shù)：9.28mm；

以此類推，讀出多組數(shù)據(jù)，記錄如下所示:14.36mm19.54mm24.88mm29.98mm35.28mm40.42mm45.66mm50.74mm55.94mm61.12mm66.36mm71.56mm76.82mm81.98mm87.14mm92.34mm97.66mm102.76mm108.04mm113.12mm（2）相位比較法連線如圖調(diào)節(jié)各儀器到如下圖所示狀態(tài)：讀數(shù)：9.20mm；再調(diào)節(jié)聲速測(cè)試儀，使所示波型與前一次相同：讀數(shù)：19.62mm；以此類推，讀出多組數(shù)據(jù)，記錄如下:30.00mm40.42mm50.82mm61.18mm71.62mm82.00mm92.42mm102.82mm113.18mm123.58mm數(shù)據(jù)處理：（1）駐波法3.98mm-9.28mm-14.36mm-19.54mm-24.88mm-29.98mm-35.28mm-40.42mm-45.66mm-50.74mm-55.94mm+61.12mm+66.36mm+71.56mm+76.82mm+81.98mm+87.14mm+92.34mm(2)相位比較法9.20mm-19.62mm-30.00mm-40.42mm-50.82mm-61.18mm+71.62mm+82.00mm+92.42mm+102.82mm+小結(jié)（包括誤差分析、結(jié)論、建議等）誤差分析：(設(shè)室溫為25攝氏度。)百分誤差）/346.28=5.11%誤差可能的原因：1、在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，每次依照所示波調(diào)節(jié)聲速測(cè)試儀時(shí)，都只能靠肉眼察，所以無法準(zhǔn)確調(diào)到適當(dāng)位置，存在較大誤差。2、聲速測(cè)試儀信號(hào)源輸出的波形可能不是我們想象的那么精確，導(dǎo)致最后所測(cè)聲速偏大。結(jié)論：通過超聲波之間的干涉，可以通過測(cè)量和計(jì)算得到聲速的值。建議：本實(shí)驗(yàn)的完成很是順利