大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告聲速測量

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告聲速測量

實(shí)驗(yàn)報(bào)告聲速的測量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、學(xué)會用共振干涉法、相位比較法以及時(shí)差法測量介質(zhì)中的聲速、學(xué)會用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;3、了解聲速與介質(zhì)參數(shù)的關(guān)系。【實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。在超聲波段進(jìn)行聲速測量的優(yōu)點(diǎn)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)射與接收一般通過電磁振動與機(jī)械振動的相互轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn),最常見的方法就是利用壓電效應(yīng)與磁致伸縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)采用的就是壓電陶瓷制成的換能器(探頭),這種壓電陶瓷可以在機(jī)械振動與交流電壓之間雙向換能。聲波的傳播速度與其頻率與波長的關(guān)系為:vf(1)

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由(1)式可知,測得聲波的頻率與波長,就可以得到聲速。同樣,傳播速度亦可用/vLt(2)表示,若測得聲波傳播所經(jīng)過的距離L與傳播時(shí)間t,也可獲得聲速。1.共振干涉法實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,圖中與為壓電晶體換能器,作為聲波源,它被低頻信號發(fā)生器輸出的交流電信號激勵后,由于逆壓電效應(yīng)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;為超聲波接收器,聲波傳至它的接收面上時(shí),再被反射。當(dāng)與的表面近似平行時(shí),聲波就在兩個平面間來回反射,當(dāng)兩個平面間距L為半波長的整倍數(shù),即(3)時(shí),發(fā)出的聲波與其反射聲波的相位在處差(n=1,2......),因此形成共振。因?yàn)榻邮掌鞯谋砻嬲駝游灰瓶梢院雎?所以對位移來說就是波節(jié),對聲壓來說就是波腹。本實(shí)驗(yàn)測量的就是聲壓,所以當(dāng)形成共振時(shí),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就是極大值(參見圖2)。圖中各極大之間的距離均為,由于散射與其她損耗,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(yīng)的接收

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器的位置,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.相位比較法波就是振動狀態(tài)的傳播,也可以說就是位相的傳播。沿波傳播方向的任何兩點(diǎn)同相位時(shí),這兩點(diǎn)間的距離就就是波長的整數(shù)倍。利用這個原理,可以精確的測量波長。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,沿波的傳播方向移動接收器,接收到的信號再次與發(fā)射器的位相相同時(shí),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(shí)驗(yàn)中輸入示波器的就是來自同一信號源的信號,它們的頻率嚴(yán)格一致,所以李薩如圖就是橢圓,橢圓的傾斜與兩信號的位相差有關(guān),當(dāng)兩信號之間的位相差為0或時(shí),橢圓變成傾斜的直線。3.時(shí)差法用時(shí)差法測量聲速的實(shí)驗(yàn)裝置仍采用上述儀器。由信號源提供一個脈沖信號經(jīng)發(fā)出一個脈沖波,經(jīng)過一段距離的傳播后,該脈沖信號被接收,再將該信號返回信號源,經(jīng)信號源內(nèi)部線路分析、比較處理后輸出脈沖信號在、之間的傳播時(shí)間t,傳播距離L可以從游標(biāo)卡尺上讀出,采用公式(2)即可計(jì)算出聲速。4.逐差法處理數(shù)據(jù)

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在本實(shí)驗(yàn)中,若用游標(biāo)卡尺測出個極大值的位置,并依次算出每經(jīng)過個的距離為這樣就很容易計(jì)算出。如測不到20個極大值,則可少測幾個(一定就是偶數(shù)),用類似方法計(jì)算即可?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算】實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫為16℃,空氣中聲速的理論值為1.共振干涉法頻率編號:12345678910L(mm)50、0052、5854、4157、4659、6362、4064、4667、3770、6072、16編號:111281920使用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,處理過程由C+程序完成,程序如下

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#include<iostream>#include<cstdio>usingnamespacestd;constintn=10;constdoublef=35、617;constdoubleL[2_n]={50、00,52、58,54、41,57、46,59、63,62、40,64、46,67、37,70、60,72、16,74、01,77、00,79、01,81、84,83、80,86、92,88、78,91、66,93、31,96、49};doubleLMD=0;intmain{for(inti=0;i<n;i++)LMD+=(L[n+i]-L[i])_2/n/n;printf(“v=%、3lf\n”,LMD_f_2);system(“pause”);return0;L(mm)74、0177、0079、0181、8483、8086、9288、7891、6693、3196、49}

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此程序運(yùn)行結(jié)果為:v=344、461m/s;2.相位比較法頻率使用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,處理過程由C+程序完成,程序如下#include<iostream>#include<cstdio>usingnamespacestd;constintn=5;constdoublef=35、618;constdoubleL[2_n]={54、82,64、41,74、02,83、74,93、40,103、06,112、90,編號:12345678910L(mm)54、8264、4174、0283、7493、40103、06112、90122、36131、86141、09122、36,131、86,141、09};doubleLMD=0;intmain{

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for(inti=0;i<n;i++)LMD+=(L[n+i]-L[i])/n/n;printf(“v=%、3lf\n”,LMD_f);system(“pause”);return0;}此程序運(yùn)行結(jié)果為:v=343、187m/s3.時(shí)差法測量空氣中聲速計(jì)算機(jī)作圖如下:編號12345678T/μs41L/mm56、8055、8666、8171、8576、8281、8386、8191、86由于第二組數(shù)據(jù),存在較大誤差,因此將其去掉。計(jì)算機(jī)計(jì)算得v=344、41m/s4.時(shí)差法測量液體中聲速計(jì)算機(jī)作圖如下:計(jì)算機(jī)計(jì)算得v=1449、43m/s

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編號12345678T/μs94971114117L/mm105、24110、02115、00120、05125、04130、06135、01140、05【分析討論】1關(guān)于誤差其實(shí)做這個實(shí)驗(yàn)需要極其精細(xì)的操作。為了得到更精確的結(jié)果,不僅要每個人時(shí)刻集中精力觀察儀器,操作儀器,而且需要兩個人的默契配合。當(dāng)然,還就是有一些最基本的需要注意的地方,如操作距離旋鈕時(shí),旋轉(zhuǎn)最好不要太快,接近讀數(shù)點(diǎn)時(shí)要放慢速度,最好不要逆向旋轉(zhuǎn)旋鈕;示波器的圖像最好調(diào)節(jié)到合適的大小位置,以便觀察與減小誤差。觀察李薩如圖像時(shí)應(yīng)選取水平或垂直線段中的一者為標(biāo)準(zhǔn),否則無法判斷移動的就是波長還就是半波長。此時(shí)應(yīng)將圖像盡量放大,因?yàn)橛^察重合時(shí)圖像較小會導(dǎo)致誤差很大。當(dāng)然最終測得的結(jié)果還就是有一定的誤差,但誤差已經(jīng)很小了。觀察測得得空氣中聲速發(fā)現(xiàn)幾種測量方法的測量結(jié)果都偏大,一個重要的原因就就是空氣中含有水蒸汽及其它雜質(zhì),聲音在這些物質(zhì)中的傳播速度都要比在空氣中的傳播速度大,所以最后的測量結(jié)果都偏大。而使用相位法測得的結(jié)果與真實(shí)值最接近,因?yàn)檫@個方法觀察圖像時(shí),就是在圖像變化到重合時(shí)讀數(shù),判斷圖像重合成直線就是相對容易的,所以誤差會較小。

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【思考題】1、為什么換能器要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測定？答:因?yàn)樵谥C振頻率下,反射面之間的聲壓達(dá)極大值。這樣從示波器上觀察到的電壓信號幅值為最大,從而更利于觀察。2、要讓聲波在兩個換能器之間產(chǎn)生共振必須滿足那些條件？答:1、兩個換能器的發(fā)射面與接受面互相平行。2、兩個換能器間的距離為半波長的整數(shù)倍。3、試舉出三個超聲波應(yīng)用的例子,她們都就是利用了超聲波的那些特性？答:比如超聲波定位系統(tǒng),超聲波探測,超聲波洗牙。她們利用了超聲波的波長短,易于定向發(fā)射,易被反射等特性。4、在時(shí)差法測量中,為何共振或接受增益過大會影響聲速儀對接受點(diǎn)的判斷？答:因?yàn)楫?dāng)共振或接受增益過大時(shí),接受器將提前接收到信號,這樣測得的時(shí)間將偏小,導(dǎo)致最后計(jì)算出的聲速偏大。