實驗報告-聲速測量

1、實驗報告聲速的測量【實驗工程】1用共振干預法測量空氣中的聲速 2用相位比擬法測量空氣中的聲速 3時差法測量介質(zhì)中的聲速；4用反射法測量擋板的距離【實驗儀器】聲速測量儀、FD-SV-D超聲波測距綜合試驗儀、示波器【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的測出聲速。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和磁致伸縮效應 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v與其頻率和波長的關(guān)系為

2、：vf由(1)式可知，測得聲波的頻率和波長，就可以得到聲速。同樣，傳播速度亦可用v L /t (2) 表示，假設(shè)測得聲波傳播所經(jīng)過的距離L和傳播時間t，也可獲得聲速。1. 共振干預法實驗裝置如圖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鼓勵后，由于逆壓電效應發(fā)生受迫振動，并向空氣中定向發(fā)出以近似的平面聲波；S2為超聲波接收器，聲波傳至它的接收面上時，再被反射。當S1和S2的外表近似平行時，聲波就在兩個平面間來回反射，當兩個平面間距L為半波長的整倍數(shù)，即L=n 入 /2n=0, 1, 2,(3)時，S1發(fā)出的聲波與其反射聲波的相位在S1處差2n

3、(n=1 , 2)，因此形成共振。因為接收器S2的外表振動位移可以忽略，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，所以當形成共振時，接收器的輸出會出現(xiàn)明顯增大。從示波器上觀察 到的電信號幅值也是極大值 (參見圖2)。圖中各極大之間的距離均為入/2，由于散射和其他損耗，各級大致幅值隨距離增大而逐漸減小。我們只要測出各極大值對應的接收器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. 相位比擬法波是振動狀態(tài)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，可以精確的測量波長。實驗裝置

4、如圖1所示，沿波的傳播方向移動接收器S2,接收到的信號再次與發(fā)射器的位相相同時，一國的距離等于與聲波的波長。同樣也可以利用李薩如圖形來判斷位相差。實驗中輸入示波器的是來自同一信號源的信 號，它們的頻率嚴格一致，所以李薩如圖是橢圓，橢圓的傾斜與兩信號的位相差有關(guān)，當 兩信號之間的位相差為 0或n時，橢圓變成傾斜的直線。位相差和角頻率、傳播時間t之間有如下關(guān)系：=t同時有2_ , t l/v , Tv,式中T為周期代入上式得：=乙丄當I n=1, 2, 3,時，可得 =n。2由上式可知：當接收點和波源的距離變化等于一個波長時，那么接收點和波源的位相差也正 好變化一個周期即=2 n。實驗時，通過改變

5、發(fā)射器與接收器之間的距離，觀察到相位的變化。當相位差改變n時， 相應距離的改變量即為半個波長。根據(jù)波長和頻率即可求出波速。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)t時間到達L處的接收器，根據(jù)關(guān)系 v=L/t，即可計算出聲速。4. 超聲測距用反射法，就要求使用接收器與發(fā)射器在同一位置，利用公式：L=vt=vT/2T為發(fā)射到接收的時間差。實驗步驟】1. 共振干預法 翻開實驗儀與示波器 實驗儀調(diào)整為相位測量模式。信號源：一接口接超聲發(fā)生器、一接口接示波器的 1通道 CH1 信號接收放大：輸入端接超聲接收器、輸出端接示波器的 2 通道 CH2 觀察CH2的信號

6、，按下 POSITION使得信號置中。 界面上顯示有頻率值，記下該頻率值f。只顯示CH2的信號，界面上顯示有 CH2的最大電壓值。 調(diào)節(jié)游標尺，使得讀數(shù)歸零。將游標尺調(diào)節(jié)到最近的位置，獲得最大的信號電壓值，記下此處的位置。 繼續(xù)移動游標尺，每到一個信號電壓最大處，記錄位置，總共記錄20 個位置。使用逐差法，獲得半波長，進而獲得聲速。2. 相位比擬法 仍舊使用相位測量模式，游標尺歸零 顯示CH1、CH2,按下DISPLAY將模式調(diào)節(jié)為 XY模式，此時顯示李薩如圖形。 游標尺開始移動。每到一處李薩如圖形為一斜線，就記錄一次位置。 使用逐差法，獲得半波長，進而獲得聲速。3. 時差法 切換為時差法測量

7、模式。連續(xù)移動接收端游標尺，記錄接收端的位置L,同時記錄主機液晶屏上顯示的時間t，取多個數(shù)據(jù)，進行處理。繪制直線，斜率就是所測聲速v 。4. 反射法測量擋板距離。 將利用磁鋼將擋板吸附在移動接收端之前。將游標尺上的接收端的接口拔出，換到發(fā)生器一側(cè)的接收接口。進入超聲波測距模式，移動擋板，同時記錄擋板位置L與液晶屏上的顯示距離I，比擬兩者的數(shù)值?！緦嶒灁?shù)據(jù)】頻率：f=1共振干預法接收序號iLi/mm接收序號iLi/mmdelta Li/mm平均差值/mm11143.9221245.0831344.2041443.6951544.7461644.9371743.8381844.1991944.47

8、102043.90平均波長：-=44.30 -=8.860 mm5聲速：v 40.0001 8.860354.4 m/s2相位比擬法接收序號iLi/mm接收序號iLi/mmdelta Li/mm平均差值/mm11144.0121243.8031343.7441443.7351543.6461643.7171743.6781843.7191943.72102044.30平均波長：=43.80 -=8.760 mm5聲速：v 40.0001 8.760350.4 m/s3時差法180160140y = 0.3504X -47.172R2= 0.9996120 m 100 mL 8060 4020100200300400500600700斜率 v = 0.3504 mm/ y s = 350.4 m/s4