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1、實驗報告聲速的測定-駐波法測聲速2013301020142吳雨橋13級弘毅班物理科學與技術學院本實驗利用超聲波采用駐波法來測定空氣中的聲速?！緦嶒災康摹?1)學會用駐波法測定空氣中的聲速。(2)了解壓電換能器的功能，熟悉低頻信號發(fā)生器和示波器的使用。(3)掌握用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)?！緦嶒炂鞑摹柯暡v波儀、低頻信號發(fā)生器、數(shù)字頻率計、毫伏表、示波器、屏蔽導線。【儀器介紹】聲波駐波儀如圖所示，在量程為50cm的游標尺的量爪上，相向安置兩個固有頻率相同的壓電換能器。移動游標及借助其微動裝置就可精密地調(diào)節(jié)兩
2、換能器之間的距離L。壓電換能器是實現(xiàn)聲波（機械振動）和電信號相互轉(zhuǎn)換的裝置，它的主要部件是壓電陶瓷換能片。當輸給一個電信號時，換能器便按電信號的頻率做機械振動，從而推動空氣分子振動產(chǎn)生平面聲波。當它受到機械振動后，又會將機械振動轉(zhuǎn)換為電信號。壓電換能器S1作為平面聲波發(fā)射器，電信號由低頻信號發(fā)生器供給，電信號的頻率讀數(shù)由數(shù)字頻率計讀出；壓電換能器S2作為聲波信號的接收器被固定于游標尺的附尺上，轉(zhuǎn)換的電信號由毫伏表指示。為了在兩換能器的端面間形成駐波，兩端面必須嚴格平行?！緦嶒炘怼柯暡ㄊ且环N在彈性媒
3、質(zhì)中傳播的機械波，它和聲源振動的頻率f、波長λ有如下關系：v=fλ如果已知聲源振動的頻率f，只要測定聲波在空氣中的波長λ，即可由上式求得空氣中的聲速。本實驗采用駐波法測定聲波在空氣中的波長λ。兩列振幅相同傳播方向相反的相干波疊加形成駐波，它不受兩個波源之間距離等條件的限制。駐波的強度和穩(wěn)定性因具體條件的不同有很大差異。只有當波源的頻率和駐波系統(tǒng)的固有頻率相等時，駐波振幅才達到最大值，該現(xiàn)象稱為駐波共振。改變S1、S2端面之間的距離L，當S1、S2端面之間的距離L恰好等于超聲波半波長的整數(shù)倍時，即L=
4、nλ/2(n=1,2,3…)在S1、S2之間的介質(zhì)中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象，此時逐波振幅達到最大;同時，在接受面上的聲壓波腹也相應的達到極大值，轉(zhuǎn)化為電信號時，電信號的幅值也會到達極大值。因此，連續(xù)移動S2，增大S1與S2的間距L，每當L滿足L=nλ/2(n=1,2,3…)時，毫伏表顯示出電壓最大值，記錄這些S2的坐標（由游標卡尺直接讀數(shù)），則兩個相鄰讀數(shù)之差即為半波長λ/2。另外由頻率計可以監(jiān)測到頻率f，就可計算出聲速v。t等于任一溫度時，聲波在理想氣體中的傳播速度為v=v01+t273.15式中
5、v0=331.45ms-1，它為0℃時的聲速，t為攝氏溫度。由上式可以計算出t等于任意溫度時，聲波在理想氣體中的傳播速度?！緦嶒瀮?nèi)容】(1)儀器接線柱連接。用屏蔽導線將壓電換能器S1的輸入接線柱與低頻信號發(fā)生器的輸出接線柱連接，用屏蔽導線將壓電換能器S2的輸出接線柱與毫伏表的輸入接線柱連接，再將低頻信號發(fā)生器的輸出端與數(shù)字頻率計的輸入端相連。(2)接通儀器電源，使儀器預熱15min左右，并置好儀器的各旋鈕。毫伏表的量程開關先置于3V檔，然后根據(jù)情況隨時調(diào)節(jié)。(3)移動游標卡尺的附尺，使得換能器S2與
6、換能器S1接近但不要接觸。將低頻信號發(fā)生器的頻率調(diào)節(jié)旋鈕由低端到高端非常緩慢的旋轉(zhuǎn)，并觀察毫伏表的指示變化，當指示數(shù)值達到最大時，此時信號頻率即為換能器諧振頻率f，在實驗中應保持f不變。此步的目的在于找到一個諧振頻率，使換能器工作在諧振狀態(tài)，從而提高測量靈敏度。(4)極緩慢的調(diào)節(jié)游標尺的附尺，使換能器S2極其緩慢的離開換能器S1，同時仔細觀察毫伏表上的讀數(shù)，當出現(xiàn)一個較大的指示數(shù)時便緊固游標尺3上的螺釘，隨后旋轉(zhuǎn)3下面的螺母進行微調(diào)，使毫伏表的讀數(shù)達到最大值，即為波節(jié)處，記錄游標尺示數(shù)x1，頻率f1
7、；然后逐漸增大x，依次記錄后15個波節(jié)的位置xn及相應的頻率fn，填入表中，用逐差法處理數(shù)據(jù)，求出f平均值?！緦嶒灁?shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理】序號f0/Hzxn/cmln(=xn+8-xn)/cm1372878.350l1=x9-x1=3.7102372878.810l1=x10-x2=3.7103372879.280l1=x11-x3=3.7004372889.740l1=x12-x4=3.70053728910.200l1=x13-x5=3.79063728910.660l1=x14-x6=3.700737
8、28911.138l1=x15-x7=3.68283728911.600l1=x16-x8=3.68093728912.060l平均=18ln=3.709cmλ平均=l平均/4=0.92725cmf平均=37288.87Hz103728812.520113728812.980123728913.440133728813.990143728914.360153728814.820163728915.280V測=f平均*λ平均=345.76ms-1V理=v01+t273.
