聲速的測定實驗報告

1、聲速的測定實驗報告1、實驗目的(1) 學會用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。(2) 進一步掌握示波器、低頻信號發(fā)生器的使用方法。(3) 學會用逐差法處理數(shù)據(jù)。2、實驗儀器超聲聲速測定儀、低頻信號發(fā)生器DF1027B.示波器ST16B,3、實驗原理3.1實驗原理聲速V、頻率f和波長入之間的關系式為V=fZ?如果能用實驗方法測量聲波的頻率f和波長入，即可求得聲速V。常用的測量聲速的方法有以下兩種。3.2實驗方法3.2.1駐波共提法(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。當波源的頻率和駐波系統(tǒng)的固有頻率柑等時，此駐波的振幅才達到最人值，此時的頻率為

2、共振頻率。駐波系統(tǒng)的固有頻率不僅與系統(tǒng)的固有性質有關，還取決于邊界條件，在聲速實驗中，Si、S2即為兩邊界，且必定是波節(jié)，其間町以有任意個波節(jié)，所以駐波的共振條件為：L=nwn=1,2,32(1)即當S1和S2之間的距離L等于聲波半波長的整數(shù)倍時，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。為L不滿足(1)式時，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。由式可知，任意兩個相鄰共振狀態(tài)之間，即S2所移過的距離為：AL=TT=(n+1)n?=+1丿222(2)AA可見，示波器上信號幅度每一次周期性變化，相當于L改變了亍。此距離亍町由超聲聲速測定

3、儀上的游標卡尺測得，頻率町由低頻信號發(fā)生器上的頻率計讀得，根據(jù)V=A，f,就可求出聲速。3.2.2兩個相互垂宜諧振動的合成法(簡稱相位法在示波器熒光屏上就出現(xiàn)兩個相互垂直的同頻率的諧振動的介成圖形一一稱為李沙如圖形。其軌跡方程為：Co?-i)=Sii?(如一。1)、1AA2(5)在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當相位差=必一必=。時，由（5）式，得即軌跡為一條處在于第和第三彖限的直線參見圖16-2（a）o仝*AxV22當？】2時，得AA,軌跡為以坐標軸為主軸的橢圓當厶0=02-0=兀時，得A,軌跡為處于第二和第四彖限的一條直線。改變S1和S2之間的距離L,相當于改變了發(fā)射波和接受波之間的相位

4、差（=九一01），熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個波長（即=U*1_Ln=位相差就變化兀。隨著振動相位差從0-兀的變化，李沙如圖形就按圖162（a）?（b）-（c）變化。因此，每移動半個波長，就會重復出現(xiàn)斜率符號相反的直線。測得波長和頻率f,根據(jù)【僅，就可計算出聲速。4、實驗內(nèi)容（1）熟悉聲速測定儀該儀器由支架、游標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卡尺的主尺和游標相對定位，所以兩只換能器相對位置距離的變化最町由游標卡尺直接讀出。兩只超聲壓電換能器，一只為發(fā)射茂波用（電聲轉換），一只為接收聲波（聲電轉換），其結構完全相同。發(fā)射器的平面端而用以產(chǎn)生平面聲

5、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的特點。同時可以控制頻率在超聲波范闈內(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S引線插在低頻侑號發(fā)生器的“功率輸出孔，把換能器S：接到示波器的“Yinput。2）打開電源開關，把頻率倍乘按鈕X10K壓入，調節(jié)幅度電位器，使數(shù)碼顯示屏讀數(shù)58V電壓，電壓衰減按鈕為20dB:波形選擇為正弦波（彈出狀態(tài)）。3）樂入示波器電源開關，把示波器Y衰減開關V0LTS/DIV置0.5v檔，Y輸入方式置AC位。掃描檔TIME/DIV為20us,觸發(fā)源（觸發(fā)TRIG）選擇“內(nèi)同步INT

6、”；觸發(fā)方式為“自動”。4）移動S:位宣，目測&與S：的距離為3cm左右，調整低頻信號？發(fā)生器的“頻率調節(jié)”波段開關，調節(jié)頻率微調電位器，使數(shù)碼顯示屏的頻率讀數(shù)為范FHI。觀察示波器，當屏幕的波形幅度最大時，說明換能器？處于共振狀態(tài)。記下頻率f值（實驗過程中，頻率f不許改變，否則影響實驗數(shù)據(jù)）。5）示波器熒幕的波形若不在中央，町調節(jié)垂直或水平位移電位器；波形太小（可能不穩(wěn)定）或太人，可調節(jié)Y增益電位器VARIABLE，使波形幅度適中。6）注童：實驗過程中不要用手觸摸兩個換能器，以免影響測量箱確性。7）向右稍移S并調整游標卡尺的微調螺幺纟，同時觀察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超過屏幕，

7、町調整Y增益VARIABLE,使波形滿屏。記下S：的初始位置L。8由近至遠慢慢移動接收器S：，逐個記下九個幅度最大的位置（即Li值）。（3）相位法測聲速2）把示波器的Yinput接超聲波測速儀的接收器示波器“X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S:調回距S人約3cm,移動接收換能器S:,調節(jié)游標卡尺微調螺絲，同時觀察示波器的圖形變化，使圖形為/”，記下S：初始位置L,。4）由近至遠，慢慢移動S：，并注總觀察圖形變化.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S：的位置讀數(shù)Li值，共測十個數(shù)據(jù)。5）實驗完畢，關掉電源，幣理好儀器5、實驗參

8、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)逐差法處理表1數(shù)據(jù)次序LlOhimi次序L:10_3nmib+5-匚1O3nun比+廠厶10-3njin193.726119.5425.820.012298.847124.7025.860.0283104.028129.9025.880.0184109.229135.0225.800.0325114.3810110.1825.800.0323叫標準偏差宀彳百衣T=0.036八CnSLj=0.06匕廠匚Am0.02ii?=_=0.012milBV3/3合成不確定度為%宀=屁+詬二辰二_Amf_0.346+u-=7O.0362+0.0122=0.038(nnn)口、fUf=八-=0?2(Hz)頻率f不確定度J3J3聲速V的相對不確定度%=J(T)2+(芒汙=J(蟲/4-鵠尸=0006=06%聲速的計算V=-f(“+5LJ=357.34(m/s)55聲速、不確定度為uv=Ev=3(111/s)室溫時聲速結果表達式：fv=V土Uv二357.34.006(m/s)(p=0.683)兔=0.