工作報(bào)告-聲速的測(cè)量與示波器的使用實(shí)驗(yàn)報(bào)告(張志林)

1、聲速的測(cè)量與示波器的使用實(shí)驗(yàn)報(bào)告(張志林)篇一：示波器的原理和使用及聲速測(cè)量(預(yù)習(xí)報(bào)告) 示波器的原理和使用及聲速測(cè)量（預(yù)習(xí)報(bào)告） 示波器的原理和使用 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 學(xué)習(xí)使用示波器。 2) 學(xué)會(huì)使用函數(shù)發(fā)生器。 實(shí)驗(yàn)原理 示波器原理 陰極射線示波器一般都包括以下幾個(gè)部分：示波管、豎直放大器、水平放大器、掃描發(fā)生器、觸發(fā)同步和直流電源等。如果在豎直偏轉(zhuǎn)板上加待測(cè)電壓，在水平偏轉(zhuǎn)板上加上與待測(cè)電壓同周期或周期為整數(shù)倍的掃描電壓，則在熒光屏上將能顯示出完整周期的所加待測(cè)電壓的波形圖。 李薩如圖形的基本原理 如果示波器的X和Y輸入是頻率相同或成簡(jiǎn)單整數(shù)比的兩個(gè)正弦電壓，則屏上的光點(diǎn)將呈現(xiàn)特殊形狀的軌

2、跡，這種軌跡圖稱為李薩如圖形。如果做一個(gè)限制光點(diǎn)x、y方向變化范圍的假想方框，則圖形與此框相切時(shí)，橫邊上的切點(diǎn)數(shù)nx與豎邊上的切點(diǎn)數(shù)ny之比恰好等于Y和X輸入的兩正弦信號(hào)的頻率之比。即：fy:fx=nx:ny，若有端點(diǎn)與假想邊框相接時(shí)，應(yīng)把一個(gè)端點(diǎn)記為1/2個(gè)切點(diǎn)。利用李薩如圖形能方便得比較出兩個(gè)正弦信號(hào)的頻率。 實(shí)驗(yàn)步驟 觀察波形 從自制多波形信號(hào)發(fā)生器輸出正弦波、方波、三角波和尖脈沖四種波形。分別用示波器測(cè)出其正弦波輸出幅度的有效值，方波幅度的峰峰值，三角波的周期，尖脈沖的頻率。 觀察李薩如圖形 （1） 將自制信號(hào)源和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)分別輸入到示波器的兩輸入端，調(diào)出 頻率比為1：1

3、或1：2的李薩如圖形，并由此定出自制信號(hào)源正弦波信號(hào)的頻率。 （2） 將頻率耦合信號(hào)發(fā)生器的兩個(gè)正弦信號(hào)輸入到示波器上，調(diào)出頻率比為1：2或1： 3的穩(wěn)定的李薩如圖形。記錄下圖形形狀及fy:fx的值。 根據(jù)電容充放電原理，研究方波與三角波、尖脈沖之間的關(guān)系 （1） 從電容器的充放電波形到三角波。用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出方波u，加在由RC組成 的電路上。用示波器同時(shí)觀察u和uc。然后改變R或f,觀察并記錄變化規(guī)律及其變化前后的頻率、電阻及電容等參數(shù)。 （2） 尖脈沖產(chǎn)生的原理研究，將方波加在RC電路（R較?。┥?，用示波器同時(shí)觀察u 和uc。改變R或f,觀察波形變化。 相位變化的觀測(cè) 按右圖1接好電路

4、后，觀測(cè)ui 和uo。 共振電路測(cè)電感、電容 按右圖2接好電路。觀測(cè)測(cè)ui 和uo，調(diào)整f使ui和uo同相位且uo達(dá)到最大值。記下此時(shí)頻率等參數(shù)。 聲速的測(cè)量 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 了解聲波在空氣中傳播速度與氣體狀態(tài)參量的關(guān)系。 2) 了解超聲波產(chǎn)生和接收的原理，學(xué)習(xí)一種測(cè)量空氣中聲速的方法，加深相位的概念。 實(shí)驗(yàn)原理 聲波的傳播速度v與聲波頻率f及波長(zhǎng)的關(guān)系為：v=f 測(cè)出聲波的頻率和波長(zhǎng)，就可求出聲速。其中聲波頻率可通過測(cè)量聲源的振動(dòng)頻率得出，剩下就是測(cè)波長(zhǎng)。 產(chǎn)生和接收超聲波使用超聲波傳感器，它利用壓電體的逆電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，利用利用壓電體的壓電效應(yīng)接收超聲波。本實(shí)驗(yàn)中頻率約為40kHz。由于

5、它的波長(zhǎng)短，定向發(fā)射性能好，波長(zhǎng)可用相位法測(cè)出。 波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點(diǎn)，如果其振動(dòng)狀態(tài)相同，這是兩點(diǎn)間的距離應(yīng)等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍。l?n?利用此公式可精確的測(cè)量波長(zhǎng)。 當(dāng)在發(fā)射器的聲波場(chǎng)中沿傳播方向移動(dòng)接收器時(shí)，總可以找到一個(gè)位置，使得接收器接收到的電信號(hào)與發(fā)射器的激勵(lì)電信號(hào)同相。繼續(xù)移動(dòng)接收器，直到接收器接收到的電信號(hào)再一次與發(fā)射器的激勵(lì)電信號(hào)同相時(shí)，移過的這段距離必然等于聲波的波長(zhǎng)。為了判斷相位差以測(cè)定波長(zhǎng)，用雙蹤示波器觀察由接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)組成的李薩如圖形。 實(shí)驗(yàn)步驟 （1） 連接電路，將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出與超聲波發(fā)射器的輸入端及示波器的通道1 連

6、接；將超聲波接收器的輸出端與示波器的通道2連接。函數(shù)型號(hào)發(fā)生器置于正弦波輸出，其頻率范圍置于100kHz左右，輸出幅度調(diào)到10V左右。 （2） 用示波器觀察加在聲波發(fā)射器上的電信號(hào)與超聲波接收器輸出的電信號(hào)，先將 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率調(diào)節(jié)到40kHz左右，然后細(xì)條頻率，使接收器輸出信號(hào)最大。記錄下此頻率，即為超聲波頻率。實(shí)驗(yàn)過程中信號(hào)頻率若有改變，記下最大值、最小值，最后取平均值。 （3） 用相位法測(cè)波長(zhǎng)。利用李薩如圖形找出同相點(diǎn)來求波長(zhǎng)。為了提高精度，可采 用逐差法處理數(shù)據(jù)。 （4） 把理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。在測(cè)量開始和結(jié)束時(shí)，要先后記錄室溫，以及相 對(duì)濕度，并查出平均室溫對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓

7、。若溫度不是整數(shù)，按線性內(nèi)插法求出準(zhǔn)確地飽和蒸氣壓。然后計(jì)算理論值，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聲速值比較。 數(shù)據(jù)表格 李薩如圖f函頻率耦合信號(hào)發(fā)生器李薩如圖 f自 fx:fy= 研究方波與三角波、尖脈沖之間的關(guān)系 相位變化的觀測(cè) 聲速的測(cè)量 5 T0=273.15K p=1.013*10Pa t1= t2= r1= r2=ps= v?331.5(1? rpt )(1?0.31s)m/s? T0p f= 篇二：實(shí)驗(yàn)報(bào)告-聲速的測(cè)量 物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓名： 專業(yè)： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)教室：指導(dǎo)教師： 一、 【實(shí)驗(yàn)名稱】 超聲波聲速的測(cè)量 二、 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1、了解聲速的測(cè)量原理 2、學(xué)習(xí)示波器的原理

8、與使用 3、學(xué)習(xí)用逐差法處理數(shù)據(jù) 三、 【儀器用具】1、SV-DH-3型聲速測(cè)定儀段 （資產(chǎn)編號(hào)） 2、雙蹤示波器 （資產(chǎn)編號(hào)） 3、SVX-3型聲速測(cè)定信號(hào)源（資產(chǎn)編號(hào)） 四、 【儀器用具】 1.超聲波與壓電陶瓷換能器 頻率20Hz-20kHz的機(jī)械振動(dòng)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(zhǎng)短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，聲速實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻率一般都在2060kHz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(jiǎn)圖 壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，分為縱向（振動(dòng)）換能器、徑向（振動(dòng)

9、）換能器及彎曲振動(dòng)換能器。聲速教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)圖。 2.共振干涉法（駐波法）測(cè)量聲速 假設(shè)在無限聲場(chǎng)中，僅有一個(gè)點(diǎn)聲源S1（發(fā)射換能器）和一個(gè)接收平面（接收換能器S2）。當(dāng)點(diǎn)聲源發(fā)出聲波后，在此聲場(chǎng)中只有一個(gè)反射面（即接收換能器平面），并且只產(chǎn)生一次反射。 在上述假設(shè)條件下，發(fā)射波1=Acos（t+2x /)。在S2處產(chǎn)生反射，反射波 2 =A1cos（t+2x /)，信號(hào)相位與1相反，幅度A1A。1與2在反射平面相交疊加， 3 合成波束 3=1+2=(A1+A2）cos（t-2x /)+A1cos（t+2x /) =A1cos(2x /)cost

10、+A2cos（t - 2x /) 由此可見，合成后的波束3在幅度上，具有隨cos(2x /)呈周期變化的特性，在相位上，具有隨(2x /)呈周期變化的特性。 圖4所示波形顯示了疊加后的聲波幅度，隨距離按cos(2x /)變化的特征。 發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離 圖2 換能器間距與合成幅度 實(shí)驗(yàn)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(hào)源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號(hào)，由逆壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而S2則作為聲波的接收器，壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號(hào)產(chǎn)生的正弦波形。由于S2在接收聲波的同時(shí)還能反射一部分超

11、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)生了波的干涉，形成駐波。我們?cè)谑静ㄆ魃嫌^察到的實(shí)際上是這兩個(gè)相干波合成后在聲波接收器S2處的振動(dòng)情況。移動(dòng)S2位置（即改變S1和S2 之間的距離），你從示 波器顯示上會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)S2在某此位置時(shí)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/ 2。為了測(cè)量聲波的波長(zhǎng)，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時(shí)，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(dòng)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

12、離為/2；S2移動(dòng)過的距離亦為/2。超聲換能器S2至S1之間的距離的改變可通過轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪 來實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲速測(cè)試儀信號(hào)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(cè)量相隔半波長(zhǎng)的S2的位置變化及聲波頻率f以后，我們可運(yùn)用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出聲速，用逐差法處理測(cè)量的數(shù)據(jù)。 3. 相位法測(cè)量原理 由前述可知入射波1與反射波2疊加，形成波束 3 即3 =A1cos(2x /)cost+A2cos（t - 2x /) 即對(duì)于波束：1 =Acos（t - 2x /) 由此可見，在經(jīng)過x距離后，接收到的余弦波與原來位置處的相位差（相移）為= 2 x /。如圖5所示。因此能通過示

13、波器，用李薩如圖法觀察測(cè)出聲波的波長(zhǎng)。 4. 時(shí)差法測(cè)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(cè)介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過t時(shí) 間后，到達(dá)L距離處的接收換能器。由運(yùn)動(dòng)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(shí)間t 圖4 發(fā)射波與接收波 通過測(cè)量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時(shí)間t ,就可以計(jì)算出當(dāng)前介質(zhì)下的聲波傳播速度。 五、【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1.儀器在使用之前，加電開機(jī)預(yù)熱15min。在接通市電后，自動(dòng)工作在連續(xù)波方式，選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)。 2. 駐波法測(cè)量聲速。 2.1 測(cè)量裝置的連接： 圖5 駐波法、相位法連線圖 如圖5所示，信號(hào)源面板上的發(fā)射

14、端換能器接口（S1），用于輸出一定頻率的功率信號(hào)，請(qǐng)接至測(cè)試架的發(fā)射換能器（S1）；信號(hào)源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形Y1，請(qǐng)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(cè)定壓電陶瓷換能器的最佳工作點(diǎn) 只有當(dāng)換能器S1的發(fā)射面和S2的接收面保持平行時(shí)才有較好的接收效果；為了得到較清晰的接收波形，應(yīng)將外加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率調(diào)節(jié)到換能器S1、S2的諧振頻率點(diǎn)處時(shí)，才能較好的進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換（實(shí)際上有一個(gè)小的通頻帶），以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。按照調(diào)節(jié)到壓電陶瓷換能器諧振點(diǎn)處的信號(hào)頻率，估計(jì)一下示波器的掃描時(shí)基t/div，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，使在

15、示波器上獲得穩(wěn)定波形。 超聲換能器工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)方法如下：各儀器都正常工作以后，首先調(diào)節(jié)發(fā)射強(qiáng)度旋鈕，使聲速測(cè)試儀信號(hào)源輸出合適的電壓（810VP-P之間），再調(diào)整信號(hào)頻率（在2545kHz），選擇合適的示波器通道增益（一般0.2V1V/div之間的位置），觀察頻率調(diào)整時(shí)接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點(diǎn)處（34.537.5kHz之間）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配頻率點(diǎn)，記錄頻率FN，改變S1和S2間的距離，適當(dāng)選擇位置，重新調(diào)整，再次測(cè)定工作頻率，共測(cè)5次，取平均頻率f。 2.3 測(cè)量步驟 將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，合適選擇相應(yīng)得測(cè)試介質(zhì)。完成前述2.1、2.2步驟后

16、，觀察示波器，找到接收波形的最大值。然后轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時(shí)波形的幅度會(huì)發(fā)生變化，記錄下幅度為最大時(shí)的距離Li-1，距離由數(shù)顯尺（數(shù)顯尺原理說明見附錄2）或在機(jī)械刻度上讀出，再向前或者向后（必須是一個(gè)方向）移動(dòng)距離，當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時(shí)，記錄下此時(shí)的距離Li。即有：波長(zhǎng)i=2Li -Li-1，多次測(cè)定用逐差法處理數(shù)據(jù)。 3.相位法/李薩如圖法測(cè)量波長(zhǎng)的步驟 將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，合適選擇相應(yīng)的測(cè)試介質(zhì)。完成前述2.1、2.2步驟后，將示波器打到“X-Y”方式，并選擇合適的通道增益。轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記錄下此時(shí)的距離Li-1；距離由數(shù)顯尺（數(shù)顯尺原理說明見

17、附錄2）或機(jī)械刻度尺上讀出，再向前或者向后（必須是一個(gè)方向）移動(dòng)距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，記錄下此時(shí)的距離Li。即有： 波長(zhǎng)i=Li -Li-1 篇三：聲速的測(cè)量與示波器的使用 用共振干涉法測(cè)量聲波的波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。 圖中S1和S2為壓電超聲換能器。信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦交流信號(hào)加到S1上，由S1完成電聲轉(zhuǎn)換，作為聲源，發(fā)出波前近似為平面的聲波；S2作為超聲波接收換能器，將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后接入示波器觀察。S2在接收聲波的同時(shí)，其表面還反射一部分聲波。當(dāng)S1與S2的表面互相平行時(shí)，往返于S1與S2之間的聲波發(fā)生干涉而形成駐波。 依波動(dòng)理論，設(shè)沿X方向射出的入射波方程為 y1=Acos(t-2x) 反射波方程為 y2=Acos(t+2x) 式中，A為聲源振幅；為角頻率；2x為由于波動(dòng)傳播到坐標(biāo)x處(t時(shí)刻)引起的位相變化。 在任意時(shí)刻t，空氣中某一位置處的合振動(dòng)方程為 y=y1+y2=(2Acos2x)cost 上式即為駐波方程。 當(dāng)cos2x