課件下載-聲速的測量

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1、實驗一聲速的測量聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的一種機械波，由于其振動方向與傳播方向一致，故聲波是縱波．振動頻率在20Hz～20kHz的聲波可以被人們聽到，稱為可聞聲波；頻率超過20KHz的聲波稱為超聲波．對于聲波特性的測量（如頻率、波速、波長、聲壓衰減和相位等）是聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)中的一個重要內(nèi)容，特別是聲波波速（簡稱聲速）的測量，在聲波定位、探傷、測距等應(yīng)用中具有重要的意義．【實驗?zāi)康摹?．學(xué)會用共振干涉法、相位比較法以及時差法測量介質(zhì)中的聲速；2．學(xué)會用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；3．了解聲速與介質(zhì)參數(shù)的關(guān)系．

2、【實驗原理】由于超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點．在超聲波段進(jìn)行聲速測量的優(yōu)點還在于超聲波的波長短，可以在短距離較精確地測出聲速．超聲波的發(fā)射和接收一般通過電磁振動與機械振動的相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，最常見的方法是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)的．本實驗采用的是壓電陶瓷制成的換能器（探頭），這種壓電陶瓷可以在機械振動與交流電壓之間雙向換能。聲波的傳播速度與其頻率和波長的關(guān)系為v=l×f（1）由（1）式可知，測得聲波的頻率和波長，就可得到聲速．同樣，傳播速度亦可用v=L/t（2）表示，若測

3、得聲波傳播所經(jīng)過的距離L和傳播時間t，也可獲得聲速．1．共振干涉法實驗裝置如圖1所示，圖中S1和S2為壓電晶體換能器，S1作為聲波源，它被低頻信號發(fā)生器輸出的交流電信號激勵后，由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生受迫振動，并向空氣中定向發(fā)出一近似的平面聲波；S2為超聲波接收器，聲波傳至它的接收面上時，再被反射．當(dāng)S1和S2的表面互相平行時，聲波就在兩個平面間來回反射，當(dāng)兩個平面間距L為半波長的整倍數(shù)，即lL=n,n=0，1，2，……（3）221時，來回聲波的波峰與波峰、波谷與波谷正好重疊，形成駐波．因為接收器S2

4、的表面振動位移可以忽略，所以對位移來說是波節(jié)，對聲壓來說是波腹．本實驗測量的是聲壓，所以當(dāng)形成駐波時，接收器的輸出會出現(xiàn)明顯增大．從示波器上觀察到的電壓信號幅值也是極大值（參見圖2）．圖1實驗裝置圖)vm(Vλ/2λ/2λ/2λ/2L(cm)圖2接受器表面聲壓隨距離的變化圖中各極大值之間的距離均為l/2，由于散射和其他損耗，各極大值幅值隨距離增大而逐漸減小．我們只要測出各極大值對應(yīng)的接收器S2的位置，就可測出波長．由信號源讀出超聲波的頻率值后，即可由公式（1）求得聲速．2．相位比較法波是振動狀態(tài)

5、的傳播，也可以說是位相的傳播．沿波傳播方向的任何兩點同相位時，這兩點間的距離就是波長的整數(shù)倍．利用這個原理，可以精確地測量波長．實驗裝置如圖1所示，沿波的傳播方向移動接收器S2總可以找到一點，使接收到的信號與發(fā)射器的位相相同；繼續(xù)移動接收器S2，接收到的信號再次與發(fā)射器的位相相同時，移過的距離等于聲波的波長．同樣也可以利用李薩如圖形判來斷相位差．實驗中輸入示波器的是來自同一信號源的22信號，它們的頻率嚴(yán)格一致，所以李薩如圖是橢圓，橢圓的傾斜與兩信號間的位相差有關(guān)，當(dāng)兩個信號間的位相差為0或π時，

6、橢圓變成傾斜的直線．3．時差法用時差法測量聲速的實驗裝置仍采用上述儀器．由信號源提供一個脈沖信號經(jīng)S1發(fā)出一個脈沖波，經(jīng)過一段距離的傳播后，該脈沖信號被S2接受，再將該信號返回信號源，經(jīng)信號源內(nèi)部線路分析、比較處理后輸出脈沖信號在S1、S2之間的傳播時間t，傳播距離L可以從游標(biāo)卡尺上讀出，采用公式（2）即可計算出聲速．4．逐差法處理數(shù)據(jù)對上述數(shù)據(jù)的處理，按理可采用兩相鄰極大值所對應(yīng)的位置相減得到l/2，但這樣則在計算平均值時有l(wèi)=[(L-L)+(L-L)+××××××(L-L)]/n=[]L-L

7、/n（4）1021nn-1n02實際上只有L20和L0兩個數(shù)據(jù)起作用，這兩個數(shù)據(jù)如有誤差，將嚴(yán)重影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，而其他的數(shù)據(jù)沒有利用，失去了在大量數(shù)據(jù)中求平均以減小誤差的作用．由誤差理論可知，多次測量的算術(shù)平均值為最近真值．為避免上述情況，一般在連續(xù)測量等間隔數(shù)據(jù)時，常把數(shù)據(jù)分成兩組，逐次求差再算平均值，這樣得到的結(jié)果就保持了多次測量的優(yōu)點．但應(yīng)注意，只有在連續(xù)測量的自變量為等間隔變化，相應(yīng)兩個因變量之差均勻的情況下，才可用逐差法處理數(shù)據(jù)．在本實驗中，若用游標(biāo)卡尺測出2n個極大值的位置，并依次

8、算出每經(jīng)過n個l/2的距離為nléùn=ê?()L()n+i-Liú/n（5）2?i=1?這樣就很容易計算出l．若測不到20個極大值，則可少測幾個（一定是偶數(shù)），用類似方法計算即可．【實驗內(nèi)容】1．共振干涉法測量空氣中的聲速（1）熟悉信號源面板上的各項功能以及示波器的使用方法．按圖1接好線路，并將兩換能器S1、S2之間的距離調(diào)至1cm左右．（2）打開信號源與示波器的電源，將信號源面板上的“測試方法”確定為連續(xù)波；“傳播介質(zhì)”確定為空氣．然后調(diào)節(jié)“發(fā)射強度”（從示波器上觀察電壓峰-峰值為10V），