大學(xué)物理實驗報告_聲速的測量

1、.實 驗 報 告聲速的測量【實驗?zāi)康摹?1.學(xué)會用共振干涉法、相位比較法以及時差法測量介質(zhì)中的聲速2.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?！緦嶒炘怼坑捎诔暡ň哂胁ㄩL短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點。在超聲波段進(jìn)行聲速測量的優(yōu)點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)射和接收一般通過電磁振動與機械振動的相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，最常見的方法是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)的。本實驗采用的是壓電陶瓷制成的換能器(探頭)，這種壓電陶瓷可以在機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和波長的關(guān)系為： (1) 由(1)式可知，測得聲波的頻率和波長，就可

2、以得到聲速。同樣，傳播速度亦可用 (2) 表示，若測得聲波傳播所經(jīng)過的距離L和傳播時間t，也可獲得聲速。1. 共振干涉法實驗裝置如圖1所示，圖中和為壓電晶體換能器，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，再被反射。當(dāng)和的表面近似平行時，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，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。因為接收器的表面振動位移可以忽略，所以對位移來說是波節(jié)，對聲壓來說是波腹。本實驗測量的是聲壓，所以當(dāng)形成

3、共振時，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是極大值(參見圖2)。圖中各極大之間的距離均為，由于散射和其他損耗，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. 相位比較法波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。沿波傳播方向的任何兩點同相位時，這兩點間的距離就是波長的整數(shù)倍。利用這個原理，可以精確的測量波長。實驗裝置如圖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，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。實驗中輸入示波器

4、的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，橢圓變成傾斜的直線。3. 時差法用時差法測量聲速的實驗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)即可計算出聲速。4. 逐差法處理數(shù)據(jù)在本實驗中，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算出。如測不到20個極大值，則可少測幾個(一定是偶數(shù))，用類似

5、方法計算即可。【實驗數(shù)據(jù)記錄、實驗結(jié)果計算】 實驗時室溫為16，空氣中聲速的理論值為1共振干涉法頻率編號:12345678910L(mm)50.00 52.58 54.41 57.46 59.63 62.40 64.46 67.37 70.60 72.16 編號:111281920L(mm)74.01 77.00 79.01 81.84 83.80 86.92 88.78 91.66 93.31 96.49 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#include using namespace std;const int n=10;const double f

6、=35.617;const double L2*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;double LMD=0;int main() for (int i=0;in;i+) LMD+=(Ln+i-Li)*2/n/n; printf(v=%.3lfn,LMD*f*2); system(pause); return 0;此程序運行結(jié)果為：v = 344.461

7、 m/s;2相位比較法頻率編號:12345678910L(mm)54.82 64.41 74.02 83.74 93.40 103.06 112.90 122.36 131.86 141.09 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#include using namespace std;const int n=5;const double f=35.618;const double L2*n=54.82, 64.41, 74.02, 83.74, 93.40, 103.06, 112.90, 122.36, 131.86, 141.09;double LMD

8、=0;int main() for (int i=0;in;i+) LMD+=(Ln+i-Li)/n/n; printf(v=%.3lfn,LMD*f); system(pause); return 0;此程序運行結(jié)果為：v = 343.187 m/s3時差法測量空氣中聲速編號12345678T/s41L/mm56.8055.8666.8171.8576.8281.8386.8191.86計算機作圖如下：由于第二組數(shù)據(jù)，存在較大誤差，因此將其去掉。 計算機計算得 v = 344.41 m/s編號12345678T/s94971114117L/mm105.24110.02115.00120.05

9、125.04130.06135.01140.054時差法測量液體中聲速計算機作圖如下：計算機計算得 v = 1449.43 m/s【分析討論】 1 關(guān)于誤差其實做這個實驗需要極其精細(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，還是有一些最基本的需要注意的地方，如操作距離旋鈕時，旋轉(zhuǎn)最好不要太快，接近讀數(shù)點時要放慢速度，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，以便觀察和減小誤差。觀察李薩如圖像時應(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是波長還是半波長。此時應(yīng)將圖像盡量放大，因為觀察重合時圖像較小會導(dǎo)致

10、誤差很大。當(dāng)然最終測得的結(jié)果還是有一定的誤差，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)果與真實值最接近，因為這個方法觀察圖像時，是在圖像變化到重合時讀數(shù)，判斷圖像重合成直線是相對容易的，所以誤差會較小?！舅伎碱}】1、 為什么換能器要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測定？答：因為在諧振頻率下，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，他們都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。 他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的判斷？答：因為當(dāng)共振或接受增益過大時，接受器將提前接收到信號，這樣測得的時間 將偏