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1、聲速的測量1.了解聲波研究的應(yīng)用，理解壓電陶瓷換能器的工作原理；2.學(xué)習(xí)使用示波器進行信號接受和位相比較；3.掌握使用共振干涉法和位相比較法測量聲波波速；4.熟練使用不確定度進行數(shù)據(jù)處理。實驗?zāi)康膲弘娞沾蓳Q能器工作原理實驗所使用的壓電陶瓷換能器，一個是用來產(chǎn)生機械振動并在空氣中激發(fā)出超聲波；另一個用來接收振動，同時在電輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。壓電系統(tǒng)有一諧振頻率，系統(tǒng)工作在諧振頻率時，產(chǎn)生機械諧振，此時得到的電信號最強。實驗原理——正壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電材料受到與極化方向一致的應(yīng)力T的作用而變形時，其內(nèi)部就產(chǎn)生
2、極化現(xiàn)象，在它的兩個表面上就帶有符號相反的電荷，在極化方向上產(chǎn)生一定的電場強度E，且具有線性關(guān)系：E=σT；當(dāng)力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)不帶電時的狀態(tài)。壓電式傳感器工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在壓電材料的極化方向施加與極化方向一致的外加電壓U，這些材料會產(chǎn)生伸縮形變S，且與U有線性關(guān)系：S=dU；若施加交變電場，則介質(zhì)因形變而振動。聲速測量的方法超聲波具有波長短、能定向傳播等特點,所以實驗選擇在超聲波段進行聲速測量。測量聲速最簡單、最有效的方法之
3、一是利用聲速v、振動頻率f和波長λ之間的基本關(guān)系，即測量波長λ有兩種方法：１）．位相比較法２）．共振干涉法本實驗在換能器諧振狀態(tài)下進行聲速的測量，振動頻率f即為所用換能器的諧振頻率實驗原理——1、壓電陶瓷換能器諧振頻率的調(diào)節(jié)根據(jù)示波器顯示的波形幅度確定換能器（發(fā)射端）激勵信號頻率。改變信號發(fā)生器的頻率時，看到…參數(shù)測量：諧振頻率：室溫：實驗內(nèi)容2、聲速測量——位相比較法波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態(tài)相同,即同相(位相差為0或者說其位相差為2π的整數(shù)倍)，兩點間的
4、距離l應(yīng)等于波長λ的整數(shù)倍，即(n為正整數(shù))利用這個公式可測量波長。注：聲波是縱波，圖以橫波示例，為清楚說明物理量的關(guān)系。位相比較法測聲速裝置示意圖位相比較法接線圖示波器CH1和CH2分別接換能器發(fā)射端和接收端，示波器的“掃描信號周期”選擇“X-Y”檔，當(dāng)改變換能器之間的距離時……位相比較法信號輸出兩個同斜率直線所對應(yīng)的換能器間距為一個波長λ。位相比較法數(shù)據(jù)處理（1）記錄半波長數(shù)據(jù)李薩如圖形接收頭位置Ｌ１Ｌ２Ｌ３Ｌ４Ｌ４Ｌ５Ｌ６Ｌ７Ｌ９Ｌ９Ｌ10Ｌ11Ｌ12卡尺讀數(shù)（cm）接收頭位置接收頭位置(cm)（cm
5、）（cm）（cm）（２）使用逐差法處理波長數(shù)據(jù)（3）使用不確定度概念處理數(shù)據(jù)使用不確定度概念進行“直接測量量”數(shù)據(jù)處理的提示：測量量N的A類分量：測量量N的B類分量：取其儀器誤差限，考慮為均勻分布測量量N的合成不確定度：使用不確定度概念進行“間接測量量”數(shù)據(jù)處理的提示：測量量Ｖ的計算：測量量Ｖ的不確定度傳遞：（4）計算理論值，并與實驗值相比較3、聲速測量——共振干涉法共振干涉法也稱駐波法。發(fā)射器發(fā)出的聲波近似于平面波。經(jīng)接收器反射后，波將在兩端面間來回反射,并且疊加。當(dāng)兩個換能器之間的距離等于半波長的整數(shù)倍
6、時發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達到極大。由縱波的性質(zhì)可以證明，振動位移處于波節(jié)時，則聲壓是處于波腹，此時產(chǎn)生的電信號最強。返共振干涉法接線圖共振干涉法測聲速裝置示意圖將壓電陶瓷換能器的接收端接入示波器的CH1／CH2通道，當(dāng)改變換能器之間的距離時……共振干涉法信號輸出謝謝物理教學(xué)實驗中心
