位相法測聲速

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1、位相法測聲速物理實驗制作人:劉穎剛劉欽朋1聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機械波，聲波的測量在定位、探傷、測距等應(yīng)用中具有十分重要的意義。測量中使用的聲波一般是超聲波，因為超聲波具有較高頻率,受低頻影響小,可以定向傳播的機械波。聲波頻率超過20kHz的聲波稱為超聲波。頻率在20Hz-20kHz的聲波稱為可聞聲波。聲波頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波。2一、實驗?zāi)康亩?、實驗儀器三、實驗原理四、實驗步驟五、注意事項六、問題主要內(nèi)容3一、實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)用位相法測量超聲波在空氣中傳播聲速2、了解壓電換能器的功能3、進一步熟悉示波器的使用4、進一步學(xué)習(xí)用逐差法處理數(shù)據(jù)4二、實驗儀器信號發(fā)生

2、器、聲速測定儀、示波器、溫度計5信號發(fā)生器提供一定頻率的信號，使之等于系統(tǒng)的諧振頻率6主要部件是兩個壓電陶瓷換能器和一個游標(biāo)卡尺超聲聲速測定儀7聲速測定儀聲速測定儀主要由兩只相同的壓電陶瓷換能器A和B所組成，壓電陶瓷換能器是將聲波和電信號相互轉(zhuǎn)換的裝置。將A作為超聲源，它與低頻信號發(fā)生器相連接，將電能轉(zhuǎn)化為聲能，即從發(fā)射頭的平面端產(chǎn)生的聲波在空氣中形成平面縱波；B作為反射面，同時也是接收端，把聲能轉(zhuǎn)化為電能，接收端與示波器相連，就可對接收端的聲壓信號進行觀測。A和B間的距離可調(diào)，通過儀器上的游標(biāo)卡尺測定。8示波器示波器的x,y軸輸入各接一個換能器，示波器上顯示出李薩如圖形9三、

3、實驗原理超聲波在空氣中傳播速度ν與其頻率f和波長λ之間有如下關(guān)系：ν＝fλ超聲波頻率為聲源振動頻率，可從低頻信號發(fā)生器頻率顯示數(shù)據(jù)讀出。波長是通過李薩如圖形來求出,相位差每變化π即距離變化半個波長時，李薩如圖形從斜率為正（負(fù)）的直線變?yōu)樨?fù)（正）的直線。101、駐波的產(chǎn)生駐波：頻率相同、振幅相同和振動方向相同而傳播方向相反的兩列波在同一直線上疊加形成的波。駐波某些點的振動始終加強，其振幅是兩列行波的振幅之和，這些點稱為波腹；而另一些點的合振幅為零，這些點稱為波節(jié)。相鄰兩波節(jié)或兩波腹間的距離就是半個波長。S1S2波節(jié)波腹λ/2圖中S1和S2之間的距離為nλ/2時才能形成駐波。11入

4、射波振動方程反射波振動方程合成波為對應(yīng)于的各點為波腹,對應(yīng)于的各點為波節(jié),由上式知相鄰波腹或者波節(jié)之間的距離為半波長12駐波場中空氣質(zhì)點位移圖像不能直接觀察到，但是由質(zhì)點位移引起的聲壓卻可以通過儀器加以觀測。聲壓就是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，根據(jù)聲學(xué)理論，聲壓駐波可表示為其中ρ0為空氣的靜態(tài)密度。k=2π/λ為波數(shù),l為發(fā)射換能器與接受換能器的距離.通過比較發(fā)現(xiàn)，聲場中空氣質(zhì)點為波腹的地方，聲壓為波節(jié)；而聲場中空氣質(zhì)點位移為波節(jié)的地方，聲壓為波腹。壓力位移壓力位移xyo13形成駐波后的反射面處(x=l)，空氣質(zhì)點的位移恒為零，此處的聲壓恒為波腹，聲壓

5、振幅為當(dāng)聲波與反射面之間的距離l改變時，反射面處的聲壓振幅也隨之改變，其數(shù)值在極大值與極小值間周期變化，滿足反射處聲壓振幅的大小可通過示波器觀測到，隨l周期性變化可以從示波器上觀察。142、相位法測聲速的原理李薩如圖形：由兩個相互垂直的簡諧振動疊加形成。相位法是指比較發(fā)射換能器聲壓p(0)與接收換能器反射處的聲壓p(l)的位相來測定聲速的方法。p(l)的位相總比p(0)的位相落后kl，分別將聲源和反射處的聲信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后接到示波器的x軸和y軸上去，可以看到李薩如圖形。實驗中由于輸入示波器的是頻率嚴(yán)格一致的兩個信號，因此李薩如圖形般是一穩(wěn)定的橢圓。當(dāng)相位差為0或π時，橢圓變

6、為傾斜的直線。測量時選擇判斷比較靈敏的直線形進行測量。以某一個直線位置作為測量的起點，相位差每變化π即距離變化半個波長時，李薩如圖形從斜率為正（負(fù)）的直線變?yōu)樨?fù)（正）的直線。15聲波在彈性介質(zhì)中傳播的速度不僅由介質(zhì)的物理性質(zhì)決定，而且還與溫度有密切關(guān)系。聲波在理想氣體中的傳播速度為：γ-比熱容比，R-摩爾氣體常數(shù)，μ-空氣分子的摩爾質(zhì)量，T-絕對溫度在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0oC時，聲速為vo＝331.45m／s，顯然在t℃時，干燥空氣中聲速的理論值應(yīng)為:在溫度為t℃,相對濕度為r的空氣中聲速為:16四、實驗步驟1、按圖示接好線路172、調(diào)節(jié)兩換能器端面平行且鉛直，然后鎖定。3、調(diào)節(jié)諧振

7、頻率調(diào)節(jié)兩換能器間有適當(dāng)距離，改變信號發(fā)生器的頻率（20-40KHZ），使示波器上出現(xiàn)最大振幅，換能器工作在諧振狀態(tài)，信號發(fā)生器所顯示的頻率即換能器的諧振頻率f。在此諧振頻率f下測波長，可以提高測量靈敏度。184、改變發(fā)射頭與接收頭之間的距離，由近而遠，觀察示波器，可看到示波器上顯示的李薩如圖形發(fā)生周期變化.以某一個直線位置作為測量的起點，相位差每變化π即距離變化半個波長時，李薩如圖形從斜率為正（負(fù)）的直線變?yōu)樨?fù)（正）的直線。即發(fā)射頭與接收頭之間距離的改變量為λ/2。5、用逐差法處理數(shù)據(jù)，求