實驗報告--聲速的測量

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1、物理實驗報告姓名：專業(yè)：班級：學號：實驗日期：實驗教室：5107指導教師：一、【實驗名稱】超聲波聲速的測量二、【實驗目的】1、了解聲速的測量原理2、學習示波器的原理與使用3、學習用逐差法處理數(shù)據(jù)三、【儀器用具】1、SV-DH-3型聲速測定儀段（資產(chǎn)編號）2、雙蹤示波器（資產(chǎn)編號）3、SVX-3型聲速測定信號源（資產(chǎn)編號）四、【儀器用具】1.超聲波與壓電陶瓷換能器頻率20Hz-20kHz的機械振動在彈性介質(zhì)中傳播形成聲波，高于20kHz稱為超聲波，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而超聲波具有波長短，易

2、于定向發(fā)射等優(yōu)點，聲速實驗所采用的聲波頻率一般都在20～60kHz之間。在此頻率范圍內(nèi)，采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器、接收器效果最佳。圖1縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，分為縱向（振動）換能器、徑向（振動）換能器及彎曲振動換能器。聲速教學實驗中所用的大多數(shù)采用縱向換能器。圖1為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。2.共振干涉法（駐波法）測量聲速假設在無限聲場中，僅有一個點聲源S1（發(fā)射換能器）和一個接收平面（接收換能器S2）。當點聲源發(fā)出聲波后，在此聲場中只有一個反射面（即接收換能器平面），

3、并且只產(chǎn)生一次反射。在上述假設條件下，發(fā)射波ξ1=Acos（ωt+2πx/λ)。在S2處產(chǎn)生反射，反射波ξ2=A1cos（ωt+2πx/λ)，信號相位與ξ1相反，幅度A1＜A。ξ1與ξ2在反射平面相交疊加，合成波束ξ3ξ3=ξ1+ξ2=(A1+A2）cos（ωt-2πx/λ)+A1cos（ωt+2πx/λ)=A1cos(2πx/λ)cosωt+A2cos（ωt-2πx/λ)由此可見，合成后的波束ξ3在幅度上，具有隨cos(2πx/λ)呈周期變化的特性，在相位上，具有隨(2πx/λ)呈周期變化的特性。圖4

4、所示波形顯示了疊加后的聲波幅度，隨距離按cos(2πx/λ)變化的特征。圖2換能器間距與合成幅度實驗裝置按圖7所示，圖中S1和S2為壓電陶瓷換能器。S1作為聲波發(fā)射器，它由信號源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號，由逆壓電效應發(fā)出一平面超聲波；而S2則作為聲波的接收器，壓電效應將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號產(chǎn)生的正弦波形。由于S2在接收聲波的同時還能反射一部分超聲波，接收的聲波、發(fā)射的聲波振幅雖有差異，但二者周期相同且在同一線上沿相反方向傳播，二者在S1和S2區(qū)域內(nèi)產(chǎn)

5、生了波的干涉，形成駐波。我們在示波器上觀察到的實際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器S2處的振動情況。移動S2位置（即改變S1和S2之間的距離），你從示波器顯示上會發(fā)現(xiàn)，當S2在某此位置時振幅有最小值。根據(jù)波的干涉理論可以知道：任何二相鄰的振幅最大值的位置之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為λ/2。為了測量聲波的波長，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時，緩慢的改變S1和S2之間的距離。示波器上就可以看到聲振動幅值不斷地由最大變到最小再變到最大，二相鄰的振幅最大之間的距離為λ/2；S2移動

6、過的距離亦為λ/2。超聲換能器S2至S1之間的距離的改變可通過轉(zhuǎn)動鼓輪來實現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲速測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀出。圖3用李薩如圖觀察相位變化在連續(xù)多次測量相隔半波長的S2的位置變化及聲波頻率f以后，我們可運用測量數(shù)據(jù)計算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。3.相位法測量原理由前述可知入射波ξ1與反射波ξ2疊加，形成波束ξ3即ξ3=A1cos(2πx/λ)cosωt+A2cos（ωt-2πx/λ)即對于波束：ξ1=Acos（ωt-2πx/λ)由此可見，在經(jīng)過△x距離后，接收到的余弦波與原

7、來位置處的相位差（相移）為θ=2π△x/λ。如圖5所示。因此能通過示波器，用李薩如圖法觀察測出聲波的波長。4.時差法測量原理連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后由發(fā)射換能器發(fā)射至被測介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過t時間后，到達L距離處的接收換能器。由運動定律可知，聲波在介質(zhì)中傳播的速度可由以下公式求出：速度V=距離L/時間t圖4發(fā)射波與接收波通過測量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時間t,就可以計算出當前介質(zhì)下的聲波傳播速度。五、【實驗內(nèi)容】1.儀器在使用之前，加電開機預熱15min。在接通市電后，自動工作在連續(xù)波方式，

8、選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)。2.駐波法測量聲速。2.1測量裝置的連接：圖5駐波法、相位法連線圖如圖5所示，信號源面板上的發(fā)射端換能器接口（S1），用于輸出一定頻率的功率信號，請接至測試架的發(fā)射換能器（S1）；信號源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形Y1，請接至雙蹤示波器的CH1（Y1），用于觀察發(fā)射波形；接收換能器（S2）的輸出接至示波器的CH2（Y2）2.2測定壓電陶瓷換能器的最佳工作點只有當換能器S1的發(fā)射面和S2的接收面保持平行時才有較好的接收