聲速測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

1、聲速測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告聲速測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名: : 陳巖松學(xué)號 :5501215012班級: : 本碩實(shí)驗(yàn)班 1 151 班實(shí)驗(yàn)名稱聲速的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.用駐波法與相位法測聲速。2.學(xué)會用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3.了解聲波在空氣中的傳播速度與氣體狀態(tài)參量的關(guān)系。4.了解壓電換能器的功能與培養(yǎng)綜合使用儀器的功能 。實(shí)驗(yàn)原理聲速 v 、聲振動頻率 f 與波長 l 之間的關(guān)系就是l f v =所以只要測得聲波的頻率 f 與波長 l , , 就可以求得聲速 v 。其中聲波頻率頻 率計(jì)測得。本實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)就是測量聲波波長 l , , 用駐波法與相位法測量。1.相位法波就是振動狀態(tài)的傳播, , 也可以說就是相位的

2、傳播。在波的傳播方向上任何兩點(diǎn), , 如果其振動狀態(tài)相同或者其相位差為p 2 的整數(shù)倍, , 這兩點(diǎn)的距離等于波長的整數(shù)倍, , 即 l n l = ( ( n 為一整數(shù)) ) 。若超聲波發(fā)出的聲波就是平面波, , 當(dāng)接收器面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。沿傳播方向移動接收器時(shí), , 總可以找到一個(gè)位置使得接收到的信號與發(fā)射器的電信號同相。繼續(xù)移動接收器, , 直到找到的信號再一次與發(fā)射器的激勵(lì)電信號同相時(shí), , 移過的這段距離就等于聲波的波長。實(shí)際操作時(shí), , 我們用的就是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)。2.駐波法按照駐波動理論, , 超聲波發(fā)生

3、器發(fā)出的平面波經(jīng)介質(zhì)到接收器, , 若接收面與發(fā)射面平行, , 聲波在接收面就會被垂直反射, , 于就是平面聲波在兩端面間來回反射并疊加。當(dāng)接收端面與發(fā)射頭間的距離恰好等于半波長的整數(shù)倍時(shí), , 疊加后的波就形成駐 波。此時(shí)相鄰兩波節(jié)間的距離等于半個(gè)波長2l。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), , 會產(chǎn)生駐波共振波腹處的振幅達(dá)到最大值。聲波就是一種縱波。由縱波的性質(zhì)知, , 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)換成的電信號也最強(qiáng)。移動接收器到某個(gè)共振位置時(shí), , 示波器上又會出現(xiàn)最強(qiáng)的信

4、號, , 繼續(xù)移動到某個(gè)共振位置, , 則兩次共振位置之間的距離即為2l。實(shí)驗(yàn)儀器聲速測量儀、示波器、信號發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.駐波法測聲速（1 1 ）如圖所示連接好電路, , 讓1S 與2S 靠近并留有適當(dāng)?shù)目障? , 使兩端面平行且與游標(biāo)尺正交。（2 2 ）根據(jù)實(shí)驗(yàn)給出的壓電換能器的振動頻率 f , , 將信號發(fā)生器的輸出頻率調(diào)至 f 附近, , 緩慢移動2S , , 當(dāng)在示波器上瞧到正弦波首次出現(xiàn)振 幅較大處, , 固定2S , , 在仔細(xì)微調(diào)信號發(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 3 ）在共振條件下, , 將2S 移近1S , , 在

5、緩慢移開2S , , 當(dāng)示波器上出現(xiàn)振幅最大時(shí), , 記下2S 的位置0_（4 4 ）由近及遠(yuǎn)移動2S , , 逐次記下各振幅最大時(shí)2S 的位置, , 連續(xù)測 0 10 個(gè)數(shù)據(jù), 3 2 1, , _ _ _ 10_（5 5 ）用逐差法計(jì)算出波長的平均值。2.用相位法測聲速(1) 調(diào)節(jié)示波器使, , 將“秒/ / 格”旋鈕旋至 Y _ - 利用李薩如圖形觀察發(fā)射波與接收波的相位差, , 找出同相點(diǎn)。(2) 在共振條件下, , 使2S 靠近1S , , 然后慢慢移開2S , , 當(dāng)示波器上出現(xiàn)o45 傾斜線時(shí), , 微調(diào)游標(biāo)卡尺上的微調(diào)螺絲, , 使圖形穩(wěn)定, , 記下2S 的位置0_¢

6、;（3 3 ）繼續(xù)緩慢移開2S , , 依次記下 10 個(gè)示波器上李薩如圖形為o45 直線時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù) , ,2 1_ _ ¢ ¢ 10_¢（4 4 ）用逐差法算出聲波波長的平均值。數(shù)據(jù)處理及記錄共振頻率 f =37 、613kHz1.駐波法數(shù)據(jù)記錄如下( ( 單位 :mm):0_1_2_3_4_89 、06893 、19897 、976102 、679107 、1855_6_7_8_9_10_111、756116 、589121、208125、822130、357135、019由上表可得下表( ( 其中i i i_ _ _ - = D+5, , 25

7、0;D=ii_l單位 :cm)1_ D2_ D3_ D4_ D5_ D23 、39123 、23223 、14323 、17223 、2631l2l3l4l5l9 9 、35649 9 、29289 9 、25729 9 、26889 9 、3052下面用逐差法求聲波波長_ D = =25) ( ) ( ) (5 10 2 7 1 6_ _ _ _ _ _ - + ¼ + - + -= = mm25) 756 .111 357 .130 ( ) 976 .97 208 .121 ( ) 198 .93 589 .116 ( - + ¼ + - + -=4 、648 mm則波

8、長 l = = _ D 2 =9 、296 mml f v = = = s m s m / 7 .349 / 10 296 .9 10 613 .373 3» ´ ´ ´-下面計(jì)算聲波速度的不確定度先計(jì)算 l 的不確定度, ,5 1 5) (95 .0512tkkA×-= Då=l l=0 、0466mmBD =0 、01mm從而2 2B Au D + D =l=0 、0476mm, =fu 0 0 、01kHz所以 5 005 .0 ) ( )1( ) ( )1 ( )ln( ) ( )ln(2 2 2 22 2 2 2= = +

9、=¶¶+¶¶=llllu ufuvufvEff v求出s m E v uv v/ 748 .1 5 .0 653 .349 » ´ = =實(shí)驗(yàn)結(jié)果為îíì=± = 5 .0/ ) 7 .1 7 .349 (vEs m v2 2 、相位法數(shù)據(jù)記錄( ( 單位 :mm)0_¢1_¢2_¢3_¢4_¢5_¢138、942148、180157、406166、548175、821184、9036_¢7_¢8_¢9_&

10、#162;10_¢194、902203、355212、676222、072231、213從而得到下表( (i i i_ _ _ ¢ - ¢ = ¢ D+5, ,5ii_¢D= l 單位 :mm)1_¢D2_¢D3_¢D4_¢D5_¢D46 、72245 、89546 、12846 、25146 、3101l2l3l4l5l9 9 、3449 9 、1799 9 、2269 9 、2509 9 、262_¢D = l =25) ( ) ( ) (5 10 2 7 1 6_ _ _ _ _

11、 _ ¢ - ¢ + ¼ + ¢ - ¢ + ¢ - ¢=9、252mm 則 s m s m f v / 9 .347 / 10 252 .9 10 613 .373 3» ´ ´ ´ = =-l下面計(jì)算聲波速度的不確定度先計(jì)算 l 的不確定度, ,5 1 5) (95 .0512tkkA×-= Då=l l=0 、0729mmBD =0 、01mm從而2 2B Au D + D =l=0 、0736mm, =fu 0 0 、01kHz所以 7 007 .0 ) (

12、 )1( ) ( )1 ( )ln( ) ( )ln(2 2 2 22 2 2 2= = + =¶¶+¶¶=llllu ufuvufvEff v求出s m E v uv v/ 4 .2 7 .0 9 .347 » ´ = =實(shí)驗(yàn)結(jié)果為îíì=± = 7 .0/ ) 4 .2 9 .347 (vEs m v實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析p 及小結(jié)1.駐波法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示為îíì=± = 5 .0/ ) 7 .1 7 .349 (vEs m v2.相位法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示為î

13、íì=± = 7 .0/ ) 4 .2 9 .347 (vEs m v誤差分析p : :（1 1 ）發(fā)射換能器與接受換能器之間可能不就是嚴(yán)格的駐波場（2 2 ）儀器的螺距誤差可能存在（3 3 ）示波器上波形線條較粗, , 判斷振幅最大有視覺誤差（4 4 ）觀察李薩如圖形時(shí), , 并不能十分準(zhǔn)確控制每一次圖形變成直線時(shí)都就是嚴(yán)格的直線（5 5 ）調(diào)節(jié)超聲波共振頻率會有一定誤差。實(shí)驗(yàn)的收獲、總結(jié)、體會1.這次的實(shí)驗(yàn)讓我有耳目一新的感覺, , 因?yàn)榇_實(shí)就是第一次一開始完全靠自己去完成一個(gè)實(shí)驗(yàn), , 當(dāng)時(shí)做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候覺得確實(shí)挺難的, , 很多術(shù)語概念不熟悉, , 但就是正

14、就是因?yàn)檫@樣的一種新的做實(shí)驗(yàn)的模式, , 才體現(xiàn)了大學(xué)生要學(xué)會自主 學(xué)習(xí)、自主完成任務(wù)的意識。盡管實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)小時(shí)里面并不能夠?qū)⑦@個(gè)實(shí)驗(yàn)所涵蓋的所有有關(guān)知識都學(xué)會, , 但就是卻能夠?qū)@個(gè)實(shí)驗(yàn)有了深刻的印象, , 而且在后來老師總結(jié)后, , 也能真正理解實(shí)驗(yàn)原理了, , 并不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。2.其次, , 我覺得這個(gè)實(shí)驗(yàn)測聲速的方法還有其她用處, , 不僅僅就是測得聲波的速度, , 還可以測得其她一些以波的形式傳播的物質(zhì)的速度。比如假設(shè)實(shí)驗(yàn)儀器夠精密, , 以此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法, , 利用光具有波的性質(zhì), , 就是可以測出光速的。實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)沒有太多不必要的詞語。聲速的測定實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、實(shí)

15、驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)會用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。 （2）進(jìn)一步掌握示波器、低頻信號發(fā)生器的使用方法。 （3）學(xué)會用逐差法處理數(shù)據(jù)。2、實(shí)驗(yàn)儀器超聲聲速測定儀、低頻信號發(fā)生器DF1027B、示波器ST16B。3、實(shí)驗(yàn)原理31 實(shí)驗(yàn)原理聲速V、頻率f和波長之間的關(guān)系式為V=fl。如果能用實(shí)驗(yàn)方法測量聲波的頻率f和波長，即可求得聲速V。常用的測量聲速的方法有以下兩種。32 實(shí)驗(yàn)方法321 駐波共振法（簡稱駐波法）S1發(fā)出的超聲波和S2反射的超聲波在它們之間的區(qū)域內(nèi)相干涉而形成駐波。當(dāng)波的頻率和駐波系統(tǒng)的固有頻率相等時(shí)，此駐波的振幅才達(dá)到最大值，此時(shí)的頻率為共振頻率。駐波系統(tǒng)的固有頻率不僅與

16、系統(tǒng)的固有性質(zhì)有關(guān)，還取決于邊界條件，在聲速實(shí)驗(yàn)中，S1、S2即為兩邊界，且必定是波節(jié)，其間可以有任意個(gè)波節(jié)，所以駐波的共振條件為：L=n,n=1,2,3LL2 （1）即當(dāng)S1和S2之間的距離L等于聲波半波長的整數(shù)倍時(shí)，駐波系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，駐波振幅最大。在示波器上得到的信號幅度最大。當(dāng)L不滿足（1）式時(shí)，駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)，駐波振幅隨之減小。移動S2，可以連續(xù)地改變L的大小。由式（1）可知，任意兩個(gè)相鄰共振狀態(tài)之間，即lS2所移過的距離為：2 （2）ll可見，示波器上信號幅度每一次周期性變化，相當(dāng)于L改變了2。此距離2可由超聲聲速測定儀上的游標(biāo)卡尺測得，頻率可由低頻信號發(fā)生器上的頻率計(jì)讀得

17、，根據(jù)V=l×f，就可求出聲速。322 兩個(gè)相互垂直諧振動的合成法（簡稱相位法）在示波器熒光屏上就出現(xiàn)兩個(gè)相互垂直的同頻率的諧振動的合成圖形稱為李沙如圖形。其軌跡方程為： DL=Ln+1-Ln=(n+1)l2-n×l2=læ_öæYö2_YçCos(f2-f1)=Sin2(f2-f1)ç÷÷+çç÷÷-A1A2 èA1øèA2ø （5）在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當(dāng)相位差22Df=f2-f1=0時(shí)，由（5）式，

18、得y=A2_A1，即軌跡為一條處在于第一和第三象限的直線參見圖162(a)。2y_p+=1Df=f2-f1=222時(shí)，得A1A2，軌跡為以坐標(biāo)軸為主軸的橢圓 當(dāng)2當(dāng)Df=f2-f1=p時(shí)，得y=-A2_A1，軌跡為處于第二和第四象限的一條直線。改變S1和S2之間的距離L，相當(dāng)于改變了發(fā)射波和接受波之間的相位差（Df=f2-f1），熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個(gè)波長（即DL=Ln+1-Ln=)2，位相差Df就變化p。隨著振動相位差從0p的變化，李沙如圖形就按圖162(a) （b）(c)變化。因此，每移動半個(gè)波長，就會重復(fù)出現(xiàn)斜率符號相反的直線。測得波長和頻率f，根據(jù)V=fl，就可計(jì)

19、算出聲速。 p4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 熟悉聲速測定儀該儀器由支架、游標(biāo)卡尺和兩只超聲壓電換能器組成。兩只超聲壓電換能器的位置分別與游標(biāo)卡尺的主尺和游標(biāo)相對定位，所以兩只換能器相對位置距離的變化量可由游標(biāo)卡尺直接讀出。兩只超聲壓電換能器，一只為發(fā)射聲波用（電聲轉(zhuǎn)換），一只為接收聲波（聲電轉(zhuǎn)換），其結(jié)構(gòu)完全相同。發(fā)射器的平面端面用以產(chǎn)生平面聲波；接收器的平面端面則為聲波的接收面和反射面。壓電換能器產(chǎn)生的波具有平面性、單色性好以及方向性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)可以控制頻率在超聲波范圍內(nèi)，使一般的音頻對它沒有干擾。（2） 駐波法測量聲速1）按圖接好線路，把換能器S1引線插在低頻信號發(fā)生器的“功率輸出孔”，把換能器S

20、2接到示波器的“Y input”。2）打開電開關(guān)，把頻率倍乘按鈕×10K壓入，調(diào)節(jié)幅度電位器，使數(shù)碼顯示屏讀數(shù)5-8V電壓,電壓衰減按鈕為20dB；波形選擇為正弦波（彈出狀態(tài)）。3）壓入示波器電開關(guān)，把示波器Y衰減開關(guān)VOLTS/DIV置0.5v檔，Y輸入方式置AC位。掃描檔TIME/DIV為20us，觸發(fā)（觸發(fā)TRIG）選擇“內(nèi)同步INT”；觸發(fā)方式為“自動”。4）移動S2位置，目測S1與S2的距離為3cm左右，調(diào)整低頻信號發(fā)生器的“頻率調(diào)節(jié)”波段開關(guān)，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)電位器，使數(shù)碼顯示屏的頻率讀數(shù)為34.00036.000KHz范圍。觀察示波器，當(dāng)屏幕的波形幅度最大時(shí)，說明換能器S1

21、處于共振狀態(tài)。記下頻率f值（實(shí)驗(yàn)過程中，頻率f不許改變，否則影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）。5）示波器熒幕的波形若不在中央，可調(diào)節(jié)垂直或水平位移電位器；波形太?。赡懿环€(wěn)定）或太大，可調(diào)節(jié)Y增益電位器VARIABLE，使波形幅度適中。6）注意：實(shí)驗(yàn)過程中不要用手觸摸兩個(gè)換能器，以免影響測量精確性。7）向右稍移S2，并調(diào)整游標(biāo)卡尺的微調(diào)螺絲，同時(shí)觀察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超過屏幕，可調(diào)整Y增益VARIABLE，使波形滿屏。記下S2的初始位置L0。8 由近至遠(yuǎn)慢慢移動接收器S2，逐個(gè)記下九個(gè)幅度最大的位置（即Li值）。 （3） 相位法測聲速1）把示波器觸發(fā)方式選擇“外接”。2）把示波器的“Y in

22、put”接超聲波測速儀的接收器S2,示波器“_輸入”聯(lián)接到低頻信號發(fā)生器的電壓輸出（不能接同步輸出）。3）把S2調(diào)回距S1大約3cm，移動接收換能器S2，調(diào)節(jié)游標(biāo)卡尺微調(diào)螺絲，同時(shí)觀察示波器的圖形變化，使圖形為“/”，記下S2初始位置LO。4）由近至遠(yuǎn)，慢慢移動S2,并注意觀察圖形變化，逐下記下每發(fā)生一次半周期變化（即圖形由“/”直線變到“”直線）接收換能器S2的位置讀數(shù)Li值，共測十個(gè)數(shù)據(jù)。 5）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)掉電，整理好儀器5、實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)1）駐波法測量聲速共振頻率f=34.583KHz表1 駐波法測量波長的測量數(shù)據(jù)次序 Li10-3mm93.72 98.84 104.02 109.22 114.38 次序Li10-3mm119.54 124.70 129.90 1