工作報告-聲速的測量與示波器的使用實驗報告(張志林)

1、聲速的測量與示波器的使用實驗報告(張志林)篇一：示波器的原理和使用及聲速測量(預習報告) 示波器的原理和使用及聲速測量（預習報告） 示波器的原理和使用 實驗目的 1) 學習使用示波器。 2) 學會使用函數(shù)發(fā)生器。 實驗原理 示波器原理 陰極射線示波器一般都包括以下幾個部分：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)板上加待測電壓，在水平偏轉(zhuǎn)板上加上與待測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單整數(shù)比的兩個正弦電壓，則屏上的光點將呈現(xiàn)特殊形狀的軌

2、跡，這種軌跡圖稱為李薩如圖形。如果做一個限制光點x、y方向變化范圍的假想方框，則圖形與此框相切時，橫邊上的切點數(shù)nx與豎邊上的切點數(shù)ny之比恰好等于Y和X輸入的兩正弦信號的頻率之比。即：fy:fx=nx:ny，若有端點與假想邊框相接時，應把一個端點記為1/2個切點。利用李薩如圖形能方便得比較出兩個正弦信號的頻率。 實驗步驟 觀察波形 從自制多波形信號發(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） 將自制信號源和函數(shù)信號發(fā)生器的正弦信號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源正弦波信號的頻率。 （2） 將頻率耦合信號發(fā)生器的兩個正弦信號輸入到示波器上，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、尖脈沖之間的關系 （1） 從電容器的充放電波形到三角波。用函數(shù)信號發(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?。┥?，用示波器同時觀察u 和uc。改變R或f,觀察波形變化。 相位變化的觀測 按右圖1接好電路

4、后，觀測ui 和uo。 共振電路測電感、電容 按右圖2接好電路。觀測測ui 和uo，調(diào)整f使ui和uo同相位且uo達到最大值。記下此時頻率等參數(shù)。 聲速的測量 實驗目的 1) 了解聲波在空氣中傳播速度與氣體狀態(tài)參量的關系。 2) 了解超聲波產(chǎn)生和接收的原理，學習一種測量空氣中聲速的方法，加深相位的概念。 實驗原理 聲波的傳播速度v與聲波頻率f及波長的關系為：v=f 測出聲波的頻率和波長，就可求出聲速。其中聲波頻率可通過測量聲源的振動頻率得出，剩下就是測波長。 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產(chǎn)生超聲波，利用利用壓電體的壓電效應接收超聲波。本實驗中頻率約為40kHz。由于

5、它的波長短，定向發(fā)射性能好，波長可用相位法測出。 波是振動狀態(tài)的傳播，也是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，如果其振動狀態(tài)相同，這是兩點間的距離應等于波長的整數(shù)倍。l?n?利用此公式可精確的測量波長。 當在發(fā)射器的聲波場中沿傳播方向移動接收器時，總可以找到一個位置，使得接收器接收到的電信號與發(fā)射器的激勵電信號同相。繼續(xù)移動接收器，直到接收器接收到的電信號再一次與發(fā)射器的激勵電信號同相時，移過的這段距離必然等于聲波的波長。為了判斷相位差以測定波長，用雙蹤示波器觀察由接收信號和發(fā)射信號組成的李薩如圖形。 實驗步驟 （1） 連接電路，將函數(shù)信號發(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)射器上的電信號與超聲波接收器輸出的電信號，先將 函數(shù)信號發(fā)生器的頻率調(diào)節(jié)到40kHz左右，然后細條頻率，使接收器輸出信號最大。記錄下此頻率，即為超聲波頻率。實驗過程中信號頻率若有改變，記下最大值、最小值，最后取平均值。 （3） 用相位法測波長。利用李薩如圖形找出同相點來求波長。為了提高精度，可采 用逐差法處理數(shù)據(jù)。 （4） 把理論值與實驗值進行比較。在測量開始和結(jié)束時，要先后記錄室溫，以及相 對濕度，并查出平均室溫對應的飽和蒸氣壓

7、。若溫度不是整數(shù)，按線性內(nèi)插法求出準確地飽和蒸氣壓。然后計算理論值，與實驗測得的聲速值比較。 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、尖脈沖之間的關系 相位變化的觀測 聲速的測量 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：實驗報告-聲速的測量 物理實驗報告 姓名： 專業(yè)： 班級： 學號： 實驗日期：實驗教室：指導教師： 一、 【實驗名稱】 超聲波聲速的測量 二、 【實驗目的】 1、了解聲速的測量原理 2、學習示波器的原理

8、與使用 3、學習用逐差法處理數(shù)據(jù) 三、 【儀器用具】1、SV-DH-3型聲速測定儀段 （資產(chǎn)編號） 2、雙蹤示波器 （資產(chǎn)編號） 3、SVX-3型聲速測定信號源（資產(chǎn)編號） 四、 【儀器用具】 1.超聲波與壓電陶瓷換能器 頻率20Hz-20kHz的機械振動在彈性介質(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，而超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點，聲速實驗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)簡圖 壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，分為縱向（振動）換能器、徑向（振動

9、）換能器及彎曲振動換能器。聲速教學實驗中所用的大多數(shù)采用縱向換能器。圖1為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。 2.共振干涉法（駐波法）測量聲速 假設在無限聲場中，僅有一個點聲源S1（發(fā)射換能器）和一個接收平面（接收換能器S2）。當點聲源發(fā)出聲波后，在此聲場中只有一個反射面（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 實驗裝置按圖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，它由信號源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號，由逆壓電效應發(fā)出一平面超聲波；而S2則作為聲波的接收器，壓電效應將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號產(chǎn)生的正弦波形。由于S2在接收聲波的同時還能反射一部分超

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。我們在示波器上觀察到的實際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器S2處的振動情況。移動S2位置（即改變S1和S2 之間的距離），你從示 波器顯示上會發(fā)現(xiàn)，當S2在某此位置時振幅有最小值。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。為了測量聲波的波長，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時，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)動鼓輪 來實現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由聲速測試儀信號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)多次測量相隔半波長的S2的位置變化及聲波頻率f以后，我們可運用測量數(shù)據(jù)計算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。 3. 相位法測量原理 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出聲波的波長。 4. 時差法測量原理 連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后由發(fā)射換能器發(fā)射至被測介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過t時 間后，到達L距離處的接收換能器。由運動定律可知，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/時間t 圖4 發(fā)射波與接收波 通過測量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時間t ,就可以計算出當前介質(zhì)下的聲波傳播速度。 五、【實驗內(nèi)容】 1.儀器在使用之前，加電開機預熱15min。在接通市電后，自動工作在連續(xù)波方式，選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài)。 2. 駐波法測量聲速。 2.1 測量裝置的連接： 圖5 駐波法、相位法連線圖 如圖5所示，信號源面板上的發(fā)射

14、端換能器接口（S1），用于輸出一定頻率的功率信號，請接至測試架的發(fā)射換能器（S1）；信號源面板上的發(fā)射端的發(fā)射波形Y1，請接至雙蹤示波器的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 測定壓電陶瓷換能器的最佳工作點 只有當換能器S1的發(fā)射面和S2的接收面保持平行時才有較好的接收效果；為了得到較清晰的接收波形，應將外加的驅(qū)動信號頻率調(diào)節(jié)到換能器S1、S2的諧振頻率點處時，才能較好的進行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換（實際上有一個小的通頻帶），以得到較好的實驗效果。按照調(diào)節(jié)到壓電陶瓷換能器諧振點處的信號頻率，估計一下示波器的掃描時基t/div，并進行調(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)射強度旋鈕，使聲速測試儀信號源輸出合適的電壓（810VP-P之間），再調(diào)整信號頻率（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)整時接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（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，記錄頻率FN，改變S1和S2間的距離，適當選擇位置，重新調(diào)整，再次測定工作頻率，共測5次，取平均頻率f。 2.3 測量步驟 將測試方法設置到連續(xù)波方式，合適選擇相應得測試介質(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)動距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時波形的幅度會發(fā)生變化，記錄下幅度為最大時的距離Li-1，距離由數(shù)顯尺（數(shù)顯尺原理說明見附錄2）或在機械刻度上讀出，再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，當接收波經(jīng)變小后再到最大時，記錄下此時的距離Li。即有：波長i=2Li -Li-1，多次測定用逐差法處理數(shù)據(jù)。 3.相位法/李薩如圖法測量波長的步驟 將測試方法設置到連續(xù)波方式，合適選擇相應的測試介質(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）或機械刻度尺上讀出，再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，記錄下此時的距離Li。即有： 波長i=Li -Li-1 篇三：聲速的測量與示波器的使用 用共振干涉法測量聲波的波長的實驗裝置如圖所示。 圖中S1和S2為壓電超聲換能器。信號發(fā)生器輸出的正弦交流信號加到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，將接收到的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后接入示波器觀察。S2在接收聲波的同時，其表面還反射一部分聲波。當S1與S2的表面互相平行時，往返于S1與S2之間的聲波發(fā)生干涉而形成駐波。 依波動理論，設沿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為由于波動傳播到坐標x處(t時刻)引起的位相變化。 在任意時刻t，空氣中某一位置處的合振動方程為 y=y1+y2=(2Acos2x)cost 上式即為駐波方程。 當cos2x