聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：聲速測(cè)量 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 學(xué)會(huì)測(cè)量超聲波在空氣中傳播速度的方法。2 理解駐波和振動(dòng)合成理論。3 學(xué)會(huì)逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。4 了解壓電換能器的功能和培養(yǎng)綜合使用儀器的能力。三、實(shí)驗(yàn)原理:1. 聲波在空氣中的傳播速度：在標(biāo)況下，干燥空氣中的聲速為v=331.5m/s, T=273.15Ko室溫tC時(shí)，干燥空氣的聲速為 v=Vo (1+t/To)八(1/2)2測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)方法：v=fA 式中，v聲速，f聲源震動(dòng)頻率，波長(zhǎng)。I. 相位法波是震動(dòng)狀態(tài)的傳播，即相位的傳播。若超聲波發(fā)生器發(fā)出的聲 波是平而波，當(dāng)接受器端而垂直于波的傳播方向時(shí)，其端面上各 點(diǎn)都具有相同的相位。沿傳播方向移

2、動(dòng)接收器時(shí)，總可以找到一 個(gè)位置使得接受到的信號(hào)與發(fā)射器的激勵(lì)電信號(hào)同相。繼續(xù)移動(dòng) 接受器，直到找到的信號(hào)再一次與發(fā)射器的激勵(lì)電信號(hào)同相時(shí), 移過(guò)的這段距離就等于聲波的波長(zhǎng)。需要說(shuō)明的是，在實(shí)際操作屮，用示波器測(cè)定電信號(hào)時(shí)，由 于換能器振動(dòng)的傳遞或放大電路的相移，接受器端面處的聲波與 聲源并不同相，總是有一定的相位差。為了判斷相位差并測(cè)量波 長(zhǎng)，可以利用雙蹤示波器直接比較發(fā)射器的信號(hào)和接收器的信號(hào), 進(jìn)而沿聲波傳播方向移動(dòng)接收器尋找同相點(diǎn)來(lái)測(cè)量波長(zhǎng)；也可以 利用李薩如圖形尋找同相或反相時(shí)橢圓退化成直線的點(diǎn)。II.駐波法按照波動(dòng)理論，超聲波發(fā)生器發(fā)出的平面聲波經(jīng)介質(zhì)到接收 器，若接收面與發(fā)射面平

3、行，聲波在接收面處就會(huì)被垂直反射， 于是平面聲波在兩端而間來(lái)回反射并疊加。當(dāng)接收端面與當(dāng)接受 端面與發(fā)射頭間的距離恰好等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，疊加后的波 就形成駐波。此時(shí)相鄰兩波節(jié)（或波腹）間的距離等于半個(gè)波長(zhǎng) （即）。當(dāng)發(fā)生器的激勵(lì)頻率等于駐波系統(tǒng)的固有頻率（本實(shí)驗(yàn) 中壓電陶瓷的固有頻率）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生駐波共振，波腹處的振幅達(dá) 到最大值。聲波是一種縱波。由縱波的性質(zhì)可以證明，駐波波節(jié)處 的聲壓最大。當(dāng)發(fā)生共振時(shí)，接收端面處為一波節(jié)，接收到的聲 壓最大，轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也最強(qiáng)。移動(dòng)接收器到某個(gè)共振位置時(shí)， 示波器上又會(huì)出現(xiàn)了最強(qiáng)的信號(hào)，繼續(xù)移動(dòng)接收器到某個(gè)共振位 置，再次出現(xiàn)最強(qiáng)的信號(hào)，則兩次共振位置

4、之間距離為入/2oU!聲速測(cè)試儀、信號(hào)發(fā)生器、示波器。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：用駐波法測(cè)聲速（1）按圖連接電路，將信號(hào)發(fā)生器的輸出端與聲速儀的輸出廠k 哪S2相j巒碉聲速儀的 o oI r僅fcwrsi專示族器的y 端(或通道CH1)相連，讓S1和S2靠近并留有適當(dāng)?shù)目障叮?兩端面平行且與游標(biāo)尺正交。(2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室給出的壓電陶瓷換能器的振動(dòng)頻率f,將信號(hào)發(fā) 生器的輸出頻率調(diào)至f附近，緩慢移動(dòng)S2,當(dāng)在示波器上看到 正弦波首次出現(xiàn)振幅較大處，固定S2,再仔細(xì)微調(diào)信號(hào)發(fā)生器 的輸出頻率，使熒光屏上圖形振幅達(dá)到最大，讀出共振頻率f.(3) 在共振條件下，將S2移近S1,再緩慢移開S2,當(dāng)示波器上

5、出現(xiàn)振幅最大時(shí)，記下S2的位置xO.(4) 由近及遠(yuǎn)移動(dòng)S2,逐次記下各振幅最大時(shí)S2的位置， 連續(xù)測(cè)20個(gè)數(shù)據(jù)xl, x20o(5) 用逐差法算出聲波波長(zhǎng)的平均值。2. 用相位法測(cè)聲速(1) 按圖連接電路。(2) 將示波器“秒/格”旋鈕旋至X-Y擋，信號(hào)發(fā)生器接示波器 CH2通道，利用李薩如圖形觀察發(fā)射波與接收波的位相差，找出 同相點(diǎn)。(3) 在共振條件下，使S2靠近S1,然后慢慢移開S2,當(dāng)示波器上出現(xiàn)45。傾斜線時(shí)，微調(diào)游標(biāo)卡尺的微調(diào)螺絲，使圖形穩(wěn)定,記下S2的位置xo(4) 繼續(xù)緩慢移開S2,依次記下20個(gè)示波器上李薩如圖形為直線時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)xl,，x20(5) 用逐差法算出聲波波

6、長(zhǎng)的平均值。六、數(shù)據(jù)記錄及處理1駐波法項(xiàng)目S2坐標(biāo)/mmXIX2X3X4X5X6X7X8X9X10151.47151.38155.97156.92160.03155.52169.34174.80179.57183.89逐差(5x)x6-xlx7-x2X8-x3X9-x4X10-x514.0517.9618.8322.6523.862.相位法項(xiàng)目S2坐標(biāo)/mmXIX2X3X4X5X6X7X8X9X10184.89189.38193.18198.74203.48207.18212.76217.51221.99226.67逐差(5x)x6-xlx7-x2X8-x3X9-x4X10-x522.2923

7、.3824.3323.2523.19七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與小結(jié) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果正常 誤差分析：1. 由于兩金屬面并非絕對(duì)平行，可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所誤差。2. 由于信號(hào)發(fā)生器頻率始終在變化Z屮，無(wú)法確定，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn) 結(jié)果有所誤差。3. 其他聲音造成的干擾。4.在觀察波形時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確的找到峰值和直線的位1思考：為什么要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測(cè)量？如何調(diào)節(jié)和判斷測(cè)量系統(tǒng)是否處于諧振狀態(tài)？ 諧振時(shí)超聲波的發(fā)射和接收效率均達(dá)到最高；保持其他條件不變, 僅僅改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，觀察接收到得超聲波信號(hào)幅度, 出現(xiàn)極大值時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率就是諧振頻率。聲速測(cè)量屮共振干涉法、相位法、時(shí)差法有何異同？從波源上說(shuō)，干涉法、相位法用的是連續(xù)波，時(shí)差法用的是脈沖 波。從測(cè)量?jī)x器上說(shuō)，干涉法、相位法要用示波器、刻尺和頻率 計(jì)，時(shí)差法用的是計(jì)時(shí)儀器和刻尺。從原理上說(shuō)，干涉法、相位 法原理相同，均是發(fā)射波和返回波形成駐波（在力學(xué)里對(duì)應(yīng)的稱 共振），測(cè)量波腹到波腹之間的距離或駐波相位差為2Pi （兩個(gè) 波腹到波腹Z間的距離）距離來(lái)計(jì)算波速（波腹到波腹Z間的距 離為聲波長(zhǎng)的1/2,用波長(zhǎng)乘以頻率既得聲速），這種方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)示波器觀測(cè)波形直觀，又可以講解駐波和李薩如圖形，涉 及知識(shí)點(diǎn)較多，一般學(xué)校都會(huì)選擇這兩種方法做測(cè)量，缺點(diǎn)是波 腹和相位差所對(duì)應(yīng)的示波