南昌大學(xué)聲速測量

1、南昌大學(xué)物理實驗報告 課程名稱： 大學(xué)物理實驗 實驗名稱： 聲速測量 學(xué)院： xx學(xué)院 專業(yè)班級： xxxxxxx 學(xué)生姓名： xxx 學(xué)號： xxxxxxxx 實驗地點： 104 座位號： 20號 實驗時間： 第x周 星期x下午x點開始 一、實驗?zāi)康模?1.了解聲速的測量原理 2.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3.學(xué)會用逐差法進行數(shù)據(jù)處理； 4.了解壓電換能器的功能和培養(yǎng)綜合使用儀器的能力二、實驗原理： 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。在超聲波段進行聲速測量的優(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

2、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.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2060kH

3、z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）換能器及彎曲振動換能器。聲速教學(xué)實驗中所用的大多數(shù)采用縱向換能器。2.共振干涉法（駐波法）測量聲速假設(shè)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(shè)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

4、加，合成波束33=1+2=(A1+A2）cos（t-2x /)+A1cos（t+2x /) =A1cos(2x /)cost+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。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(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而S2則作為聲波的接收器，壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號。將它輸入示波器，

5、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

6、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、 實驗儀器： 1、SV-DH-3型聲速測定儀段 2、雙蹤示波器 3、SVX-3型聲速測定信號源4、 實驗內(nèi)容和步驟：1.儀器在使用之前，加電開機預(yù)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

7、. 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(yīng)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

8、。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.

9、3 測量步驟將測試方法設(shè)置到連續(xù)波方式，合適選擇相應(yīng)得測試介質(zhì)。完成前述2.1、2.2步驟后，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(shè)置到連續(xù)波方式，合適選擇相應(yīng)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)

10、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-14. 干涉法/相位法測量數(shù)據(jù)處理已知波長i和頻率f i，（頻率由聲速測試儀信號源頻率顯示窗口直接讀出。）則聲速Ci=i×f i。因聲速還與介質(zhì)溫度有關(guān)，所以必要時請記下介質(zhì)溫度t。5、 實驗數(shù)據(jù)與處理：1.駐波法（共振干涉法） f= 37.918 kHz項目S2坐標/mmX1X2X3X4X5X6X7X8X9X1021.88226.4

11、7830.90335.66140.17444.76349.42753.88158.60563.098逐差（5X）X6X1X7X2X8X3X9X4X10X522.88122.94922.97822.94422.924(/2=X)9.15249.17969.19129.17769.1696的平均值9.17408=37.918kHz X9.17408mm=347.890m/s對于波長的A類不確定度 S=0.11542893918 mmB類不確定度儀=0.001 mm對于頻率f，只有B類不確定度儀=0.001 kHzV的不確定度347.8904.377 m/s 4.377350694768 m/s2.

12、 相位比較法 f= 37.986 kHz 項目S2坐標/mmX1X2X3X4X5X6X7X8X9X1025.78034.73243.67952.63561.59270.52879.48788.44197.384106.342逐差（5X）X6X1X7X2X8X3X9X4X10X544.74844.75544.76244.74944.750(=X)8.94968.95108.95248.94988.9500的平均值8.95056=37.986kHz X8.95056mm=339.996m/s對于波長的A類不確定度 S=0.022024078006 mmB類不確定度儀=0.001 mm對于頻率f，只

13、有B類不確定度儀=0.001 kHzV的不確定度339.9960.837 m/s 0.8365145395467 m/s六、誤差分析：1.關(guān)于誤差其實做這個實驗需要極其精細的操作。為了得到更精確的結(jié)果，要時刻集中精力觀察儀器，操作儀器，當然，還是有一些最基本的需要注意的地方。1. 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；2. 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；3. 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準，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)致誤差很大。當然最終測得的結(jié)果還

14、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。2.數(shù)據(jù)誤差處理駐波法（共振干涉法）：4.377350694768 m/s相位比較法：0.8365145395467 m/s七、思考題：1、 為什么換能器要在諧振頻率條件下進行聲速測定？答：因為在諧振頻率下，反射面之間的聲壓達極大值。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