超聲波聲速的測量

1、實驗名稱超聲波聲速的測量實驗編號0801011實驗課時3類別必修（） 限選（ ） 任選（ ） 類型演示、驗證（ ）綜合、設(shè)計（ ）輔助教師職稱授課對象全校工科本科生、?？粕滩闹v義王宏波等大學(xué)物理實驗(上)東北林業(yè)大學(xué)出版社，2004實驗內(nèi)容（教學(xué)過程）備注實驗?zāi)康?1) 進一步熟悉示波器的基本結(jié)構(gòu)和原理。(2) 了解壓電換能器的功能，加深對駐波及振動合成等理論知識的理解。(3) 學(xué)習(xí)幾種測定聲波傳播速度的原理和方法。(4) 通過時差法對聲波傳播速度的測量，了解聲納技術(shù)的原理及其重要的實用意義。實驗方法原理聲波是一種彈性媒質(zhì)中傳播的縱波，波長、強度、傳播速度等是聲波的重要參數(shù)，超聲波是頻率大于

2、20 kh的機械波，本實驗利用聲速與振動頻率f和波長之間的關(guān)系v = f來測量超聲波在空氣中的傳播速度。sv5型聲速測量組合實驗儀（含專用信號源），可以做時差法測定超聲波傳播速度的實驗；配以示波器可完成利用共振干涉法，雙蹤比較法和相應(yīng)比較法測量聲速的任務(wù)。本聲速測量儀是利用壓電體的逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生超聲波，利用正壓電效應(yīng)接收超聲波，測量聲速的四種實驗方法如下：（由于聲波頻率可通過聲源的振動頻率得出，所以測量聲波波長是本實驗主要任務(wù)。）（1）李薩如圖形相位判別法頻率相同的李薩如圖形隨著的不同，其圖形的形狀也不同，當(dāng)形狀為傾斜方向相同的直線兩次出現(xiàn)時，變化2，對應(yīng)接受器變化一個波長。（2）共振法由發(fā)

3、射器發(fā)出的平面波經(jīng)接受器發(fā)射和反射器二次反射后，在接受器與發(fā)射器之間形成兩列傳播方向相同的疊加波，觀察示波器上的圖形，兩次加強或減弱的位置差即為波形。（3）雙蹤相位比較法直接比較發(fā)信號和接收信號，同時沿傳播方向移動接受器位置，尋找兩個波形相同的狀態(tài)可測出波長。（4）時差法測出脈沖聲速傳播距離x和所經(jīng)歷時間t, 便可求得聲速。實驗裝置yb4320f示波器1臺，sv5型聲速測量組合實驗儀(含專用信號源)1臺。實驗準(zhǔn)備檢查全部實驗裝置工作是否正常，特別是3根同軸電纜。實驗步驟(1) 李薩如圖形相位比較法轉(zhuǎn)動聲速測量組合實驗儀的距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形當(dāng)出現(xiàn)兩次傾斜方向相同的傾斜直線時，記錄這兩次換能器

4、的位置，兩次位置之差為波長。(2) 共振法移動聲速測量儀手輪會發(fā)現(xiàn)信號振幅發(fā)生變化，信號變化相鄰兩次極大值或極小值所對應(yīng)的接受器移動的距離即是/2 ，移動手輪，觀察波形變化，在不同位置測6次，每次測3個波長的間隔。(3) 比較法使雙通道兩路信號雙蹤顯示幅度一樣，移動手法會發(fā)現(xiàn)其中一路在移動，當(dāng)移動信號兩次與固定信號重合時所對應(yīng)的接收器移動的距離是，移動手輪，觀察波形變化，多記錄幾次兩路信號重合時的位置，利用逐差法求波長。(4) 時差法轉(zhuǎn)動手輪使兩換能器的距離加大，每隔10mm左右記錄一次數(shù)據(jù)和,根據(jù)公式獲得一系列vi后，可以利用逐差法求得聲速v的平均值。數(shù)據(jù)處理(1) 李薩如圖形相位比較法溫度

5、20.8 信號發(fā)生器顯示頻率37.003 khz接受器位置序號012345接受器位置坐標(biāo) /mm55.4064.5373.9483.4092.65101.90接受器位置序號67891011接受器位置坐標(biāo) /mm111.30120.68129.95139.25148.60158.0655.9056.1556.0155.8555.9556.169.329.369.349.319.339.36(2) 共振法溫度20.8 信號發(fā)生器顯示頻率37.012 khz次數(shù)接受器記錄被測數(shù)被測數(shù)n/mm=x/n /mm148.2076.28328.089.369.3610-3276.28104.40328.12

6、9.373104.40132.41328.019.344132.41160.59328.189.395160.59188.69328.109.376188.69216.72328.039.34其中m；數(shù)據(jù)處理(3) 比較法溫度20.8 信號發(fā)生器顯示頻率37.015 khz接受器位置序號012345接受器位置坐標(biāo)57.6567.0476.3886.7595.12104.59接受器位置序號67891011接受器位置坐標(biāo)114.06123.50132.77142.26151.58161.09 /mm56.4156.4656.3955.5156.4656.509.409.419.409.259.41

7、9.42(4)時差法溫度20.8 信號發(fā)生器顯示頻率37.032 khz接收器位置序號i012345接收器位置坐標(biāo)xi /mm56.8566.8076.8086.8096.80106.80脈沖傳播時間ti /us347377407434465491接收器位置序號i67891011接收器位置坐標(biāo) xi /mm116.80126.80136.80146.80156.80166.80脈沖傳播時間 ti /us522551579606635663342.57344.83348.84348.84352.94348.84 mm/s(5) 環(huán)境溫度為t()時的聲速(6) 不確定度的計算及實驗結(jié)果 取k =

8、2，則u=21. 示波器在使用過程中熒光屏上只有一條水平亮線而沒有被測信號是什么原因造成的?答：在示波器的使用過程中，上述現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的原因很多，大致可歸納為： 示波器接地（gnd）（測量時接地按鍵gnd應(yīng)該彈起）； 衰減開關(guān)volts/div選擇過大（測量時可先選擇小些）； 信號發(fā)生器輸出過小或沒有輸出； 信號發(fā)生器輸出直流信號； 在信號的傳輸中，導(dǎo)線或接頭接觸不良，也可造成該現(xiàn)象； 示波器的相關(guān)功能鍵都應(yīng)選擇在正確工作狀態(tài)下。 總之，影響的因素很多，要求使用者在使用前一定認(rèn)真閱讀教材。2. 在測量聲速時，y1(ch1)的輸入信號，由于示波器的y軸放大器、壓電轉(zhuǎn)換器、聯(lián)接線路的相移等原因并不與聲波的位相相同，這對于觀察測量聲波波長有無影響? 為什么?答：沒有影響。因為波長是波在傳播過程中位相差為2的兩點間的距離，與該處位相無關(guān)，所以無影響。3. 試比較幾種測聲速方法的優(yōu)缺點。答：實驗講義上共列出了三種測量方法：李薩如圖相位比較法，共振法，波形相位比較法。一般說來，李薩如圖相位比較法測量的比較準(zhǔn)，同時便于對知識的溫新和鞏固，對于示波器的使用