聲速的測(cè)定試驗(yàn)報(bào)告

1、聲速的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)會(huì)用駐波法和相位法測(cè)量聲波在空氣中傳播速度。（2）進(jìn)一步掌握示波器、低頻信號(hào)發(fā)生器的使用方法。（3）學(xué)會(huì)用逐差法處理數(shù)據(jù)。2、實(shí)驗(yàn)儀器超聲聲速測(cè)定儀、低頻信號(hào)發(fā)生器 DF1027B.示波器ST16B,3、實(shí)驗(yàn)原理3. 1實(shí)驗(yàn)原理聲速V、頻率f和波長(zhǎng)入之間的關(guān)系式為V=fZ?如果能用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量聲波的頻率f和波長(zhǎng) 入，即可求得聲速Vo常用的測(cè)量聲速的方法有以下兩種。3. 2實(shí)驗(yàn)方法3. 2. 1駐波共提法（簡(jiǎn)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(dāng)波源的頻率和駐波系統(tǒng)的固有頻率柑等時(shí)，此駐波的振幅才達(dá)到最人值，此時(shí)的

2、頻率為共振頻率。駐波系統(tǒng)的固有頻率不僅與系統(tǒng)的固有性質(zhì)有關(guān)，還取決于邊界條件，在聲速實(shí)驗(yàn)中，Si、S2即為兩邊界，且必定是波節(jié)，其間盯以有任意個(gè)波節(jié)，所以駐波的共振條件為：L = nwn = 1,2,32即當(dāng)S1和S2之間的距離L等于聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，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(hào)幅度最大。為 L不滿足（1）式時(shí)，駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)， 駐 波振幅隨之減小。移動(dòng)S2,可以連續(xù)地改變L的大小。由式（1）可知，任意兩個(gè)相鄰共振狀態(tài)之間，即 S2所 移過的距離為：AL = T T = (n +1) n ?=一+1 ' J 2 2 2 (2)可見，示波器上信號(hào)幅

3、度每一次周期性變化，相當(dāng)于L改變了亍。此距離亍盯由超聲聲速測(cè)定儀上的游標(biāo)卡尺測(cè)得，頻率町由低頻信號(hào)發(fā)生器上的頻率計(jì)讀得，根據(jù) V=A'f,就 可求 出聲速。3. 2. 2兩個(gè)相互垂宜諧振動(dòng)的合成法（簡(jiǎn)稱相位法在示波器熒光屏上就出現(xiàn)兩個(gè)相互垂直的同頻率的諧振動(dòng)的介成圖形一一稱為李沙如 圖形。其軌跡方程為：I I + - Co? - i）= Sii?（如 一。1） Ia A2在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當(dāng)相位差=必一心。時(shí)，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=Xcov22A當(dāng)？】2時(shí)，得A A，軌跡為以坐標(biāo)軸為主軸的橢圓當(dāng)0=02-0=兀時(shí)

4、，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(dāng)于改變了發(fā)射波和接受波之間的相位差=九一01）,熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個(gè)波長(zhǎng)（即=U*1_Ln=位相差就變化兀。隨著振動(dòng)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(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)，就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)斜率符號(hào)相反的直線。測(cè)得波長(zhǎng)和頻率f,根據(jù)V=僅，就可計(jì)算出聲速。4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）熟悉聲速測(cè)定儀該儀器由支架、游標(biāo)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(biāo)卡尺的主尺和游標(biāo)相對(duì)定位，所以兩只換能器相對(duì)位置距離的變化最町由游標(biāo)卡 尺直接

5、讀出。兩只超聲壓電換能器，一只為發(fā)射茂波用（電聲轉(zhuǎn)換），一只為接收聲波（聲電轉(zhuǎn) 換），其結(jié)構(gòu)完全相同。發(fā)射器的平面端而用以產(chǎn)生平面聲波：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(qiáng)的特點(diǎn)。 同時(shí)可以控 制頻率在超聲波范闈內(nèi)，使一般的音頻對(duì)它沒有干擾。（2）駐波法測(cè)量聲速1）按圖接好線路，把換能器 S'引線插在低頻侑號(hào)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(guān)，把頻率倍乘按鈕X10K壓入，調(diào)節(jié)幅度電位器，使數(shù)碼顯示屏讀數(shù)5- 8V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

6、示波器電源開關(guān)，把示波器Y衰減開關(guān)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” ；觸發(fā)方式為“自 動(dòng)”。4）移動(dòng)S:位宣，目測(cè)&與S:的距離為3cm左右，調(diào)整低頻信號(hào) ？發(fā)生器的“頻率調(diào) 節(jié)” 波段開關(guān)，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)電位器，使數(shù)碼顯示屏的頻率讀數(shù)為34. 000-36. OOOKHz范FHI。觀 察示波器，當(dāng)屏幕的波形幅度最大時(shí)，說明換能器？處于共振狀態(tài)。記下頻率值（實(shí)驗(yàn) 過程中，頻率f不許改變，否則影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）。5）示波器熒幕的波形若不在中央，町調(diào)節(jié)垂直或水平位移電位器；波形太?。赡懿?穩(wěn) 定）

7、或太人，可調(diào)節(jié)丫增益電位器VARIABLE,使波形幅度適中。6）注童：實(shí)驗(yàn)過程中不要用手觸摸兩個(gè)換能器，以免影響測(cè)量箱確性。7）向右稍移S并調(diào)整游標(biāo)卡尺的微調(diào)螺幺紇同時(shí)觀察示波器上波形，使波形幅度最 大,幅度如果超過屏幕，盯調(diào)整 Y增益VARIABLE,使波形滿屏。記下S:的初始位置L。8由近至遠(yuǎn)慢慢移動(dòng)接收器S：,逐個(gè)記下九個(gè)幅度最大的位置（即 Li值）。（3）相位法測(cè)聲速1）把示波器觸發(fā)方式選擇“外接”2）把示波器的“Y input接超聲波測(cè)速儀的接收器示波器“X輸入”聯(lián)接到低頻信號(hào)發(fā)生器的電壓輸出（不能接同步輸出）。3）把S:調(diào)回距S'人約3cm,移動(dòng)接收換能器S:，調(diào)節(jié)游標(biāo)卡尺

8、微調(diào)螺絲，同時(shí)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(yuǎn)，慢慢移動(dòng)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(cè)十個(gè)數(shù)據(jù)。5）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)掉電源，整理好儀器5、實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)1）駐波法測(cè)量聲速共振頻率f =34. 583KHZ表1駐波法測(cè)量波長(zhǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)次序L> lO'himi次序L: 10_3nmib+5 - 匚 1 O'3 nun比 +廠10-3njin193. 726119. 5425. 820.012298. 847124. 7025

9、. 860.0283104. 028129. 9025. 880.0184109.229135. 0225. 800.0325114.3810110. 1825. 800.032逐差法處理表1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差%T彳百衣T =0.036八CnSLj =1.65x 0.036 = 0.06 匕廠匚Am 0.02ii? = _ = 0.012 milB V3 >/3合成不確定度為% =屁+詬=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J3 J3聲速V的相對(duì)不確定度% = J(T)2 + (芒汗=J(蠡/4-吉昌尸=0006=06%聲速的計(jì)算V = - f ( "+5LJ = -34.583x25.832 = 357.34(m/s) 5 5 聲速、不確定度為uv = Ev = 357.34 x 0.006 = 3(111/ s)室溫時(shí)聲速結(jié)果表達(dá)式：fv = V ± Uv 二 357.34 :0.006 (m/ s) (p = 0.6