聲速的測(cè)量與示波器的使用試驗(yàn)報(bào)告張志林

1、標(biāo)簽:標(biāo)題篇一：示波器的原理和使用及聲速測(cè)量預(yù)習(xí)報(bào)告示波器的原理和使用及聲速測(cè)量預(yù)習(xí)報(bào)告示波器的原理和使用實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)使用示波器.2學(xué)會(huì)使用函數(shù)發(fā)生器.實(shí)驗(yàn)原理示波器原理陰極射線示波器一般都包括以下幾個(gè)局部：示波管、豎直放大器、水平放大器、掃描發(fā)生器、觸發(fā)同步和直流電源等.如果在豎直偏轉(zhuǎn)板上加待測(cè)電壓,在水平偏轉(zhuǎn)板上加上與待測(cè)電壓同周期或周期為整數(shù)倍的掃描電壓,那么在熒光屏上將能顯示出完整周期的所加待測(cè)電壓的波形圖.李薩如圖形的根本原理如果示波器的X和Y輸入是頻率相同或成簡(jiǎn)單整數(shù)比的兩個(gè)正弦電壓,那么屏上的光點(diǎn)將呈現(xiàn)特殊形狀的軌跡,這種軌跡圖稱為李薩如圖形.如果做一個(gè)限制光點(diǎn)x、y方向變化范

2、圍的假想方框,那么圖形與此框相切時(shí), 橫邊上的切點(diǎn)數(shù)nx與豎邊上的切點(diǎn)數(shù) ny之比恰好等于 Y和X輸入的兩正弦信號(hào)的頻率之比.即：fy:fx= nx:ny,假設(shè)有端點(diǎn)與假想邊框相接時(shí),應(yīng)把一個(gè)端點(diǎn)記為1/2個(gè)切點(diǎn).利用李薩如圖形能方便得比擬出兩個(gè)正弦信號(hào)的頻率.實(shí)驗(yàn)步驟觀察波形從自制多波形信號(hào)發(fā)生器輸出正弦波、方波、三角波和尖脈沖四種波形.分別用示波器測(cè)出其正弦波輸出幅度的有效值,方波幅度的峰峰值,三角波的周期,尖脈沖的頻率.觀察李薩如圖形1將自制信號(hào)源和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)分別輸入到示波器的兩輸入端,調(diào)出頻率比為1:1或1:2的李薩如圖形,并由此定出自制信號(hào)源正弦波信號(hào)的頻率.2將頻率耦

3、合信號(hào)發(fā)生器的兩個(gè)正弦信號(hào)輸入到示波器上,調(diào)出頻率比為1 : 2或1：3的穩(wěn)定的李薩如圖形.記錄下列圖形形狀及fy:fx的值.根據(jù)電容充放電原理,研究方波與三角波、尖脈沖之間的關(guān)系1從電容器的充放電波形到三角波.用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出方波u,加在由RC組成的電路上.用示波器同時(shí)觀察u和uc.然后改變R或f,觀察并記錄變化規(guī)律及其變化前后的頻率、電阻及電容等參數(shù).2尖脈沖產(chǎn)生的原理研究,將方波加在RC電路R較小上,用示波器同時(shí)觀察u和uc.改變R或f,觀察波形變化.相位變化的觀測(cè)按右圖1接好電路后,觀測(cè) ui和uo.共振電路測(cè)電感、電容按右圖2接好電路.觀測(cè)測(cè) ui和uo,調(diào)整f使ui和uo同相位

4、且uo到達(dá)最大值.記下此時(shí)頻率等參數(shù).聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 了解聲波在空氣中傳播速度與氣體狀態(tài)參量的關(guān)系.2) 了解超聲波產(chǎn)生和接收的原理,學(xué)習(xí)一種測(cè)量空氣中聲速的方法,加深相位的概念.實(shí)驗(yàn)原理聲波的傳播速度 v與聲波頻率f及波長(zhǎng)入的關(guān)系為：v=f入測(cè)出聲波的頻率和波長(zhǎng),就可求出聲速.其中聲波頻率可通過測(cè)量聲源的振動(dòng)頻率得出, 剩下就是測(cè)波長(zhǎng).產(chǎn)生和接收超聲波使用超聲波傳感器,它利用壓電體的逆電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波,利用利用壓電體的壓電效應(yīng)接收超聲波.本實(shí)驗(yàn)中頻率約為 40kHz.由于它的波長(zhǎng)短,定向發(fā)射性能好, 波長(zhǎng)可用相位法測(cè)出.波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播,也是相位的傳播.沿傳播方向上的任何兩點(diǎn),如果

5、其振動(dòng)狀態(tài)相同,這是兩點(diǎn)間的距離應(yīng)等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍.l?n?利用此公式可精確的測(cè)量波長(zhǎng).當(dāng)在發(fā)射器的聲波場(chǎng)中沿傳播方向移動(dòng)接收器時(shí),總可以找到一個(gè)位置,使得接收器接收到的電信號(hào)與發(fā)射器的鼓勵(lì)電信號(hào)同相.繼續(xù)移動(dòng)接收器,直到接收器接收到的電信號(hào)再一次與發(fā)射器的鼓勵(lì)電信號(hào)同相時(shí),移過的這段距離必然等于聲波的波長(zhǎng).為了判斷相位差以測(cè)定波長(zhǎng),用雙蹤示波器觀察由接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)組成的李薩如圖形.實(shí)驗(yàn)步驟(1) 連接電路,將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出與超聲波發(fā)射器的輸入端及示波器的通道1連接；將超聲波接收器的輸出端與示波器的通道2連接.函數(shù)型號(hào)發(fā)生器置于正弦波輸出,其頻率范圍置于100kHz左右,輸出幅度調(diào)到

6、 10V左右.(2) 用示波器觀察加在聲波發(fā)射器上的電信號(hào)與超聲波接收器輸出的電信號(hào),先將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率調(diào)節(jié)到40kHz左右,然后細(xì)條頻率,使接收器輸出信號(hào)最大.記錄下此頻率,即為超聲波頻率.實(shí)驗(yàn)過程中信號(hào)頻率假設(shè)有改變,記下最大值、最小值,最后取平均值.(3) 用相位法測(cè)波長(zhǎng).禾U用李薩如圖形找出同相點(diǎn)來求波長(zhǎng).為了提升精度,可采用逐差法處理數(shù)據(jù).(4) 把理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比擬.在測(cè)量開始和結(jié)束時(shí),要先后記錄室溫,以及相對(duì)濕度,并查出平均室溫對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓.假設(shè)溫度不是整數(shù),按線性內(nèi)插法求出準(zhǔn)確地 飽和蒸氣壓.然后計(jì)算理論值,與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聲速值比擬.數(shù)據(jù)表格李薩如圖f函頻率耦合信號(hào)

7、發(fā)生器李薩如圖f 自 fx:fy=研究方波與三角波、尖脈沖之間的關(guān)系相位變化的觀測(cè)聲速的測(cè)量5T0=273.15K p=1.013*10Pat1=t2=r1= r2=ps=v?331.5(1?rpt)(1?0.31s)m/s? T0pf=篇二：實(shí)驗(yàn)報(bào)告-聲速的測(cè)量物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名： 專業(yè)： 班級(jí)：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)教室：指導(dǎo)教師：一、【實(shí)驗(yàn)名稱】超聲波聲速的測(cè)量 二、【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解聲速的測(cè)量原理2、學(xué)習(xí)示波器的原理與使用3、學(xué)習(xí)用逐差法處理數(shù)據(jù)三、【儀器用具】1、SV-DH-3型聲速測(cè)定儀段資產(chǎn)編號(hào)2、 雙蹤示波器資產(chǎn)編號(hào)3、SVX-3型聲速測(cè)定信號(hào)源資產(chǎn)編號(hào)四、【儀器用具】1. 超聲

8、波與壓電陶瓷換能器頻率20Hz-20kHz的機(jī)械振動(dòng)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(zhǎng)短,易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn),聲速實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻率一般都在2060kHz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、接收器效果最正確.圖1縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式,分為縱向振動(dòng)換能器、徑向振動(dòng)換能器及彎曲振動(dòng)換能器.聲速教學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的大多數(shù)采用縱向換能器.圖1為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖.2共振干預(yù)法駐波法測(cè)量聲速假設(shè)在無限聲場(chǎng)中, 僅有一個(gè)點(diǎn)聲源 S1 發(fā)射換能器和一個(gè)接收平面接收換能器S2 . 當(dāng)點(diǎn)聲源

9、發(fā)出聲波后,在此聲場(chǎng)中只有一個(gè)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E 1=Acos 3 t+2 n x /入.在S2處產(chǎn)生反射,反射波 E2=A1cos31+2 n x /入,信號(hào)相位與E 1相反,幅度A1 v A. E 1與E 2在反射平面相交疊 加,3合成波束EE 3= E 1+ E 2=A1+A2 cos 3 t-2 n x / 入+A1cos 3 t+2 n x / 入=A1cos2 n x / 入cos3 t+A2cos 3 t - 2 n x / 入由此可見,合成后的波束E 3在幅度上,具有隨cos2 n x /入呈周期變化的特性,在相位上, 具有隨

10、2 n x /入呈周期變化的特性.圖4所示波形顯示了疊加后的聲波幅度,隨距離按cos2 n x /入變化的特征.發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離圖2換能器間距與合成幅度實(shí)驗(yàn)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(hào)源 供應(yīng)頻率為數(shù)十千赫的交流電信號(hào),由逆壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而S2那么作為聲波的接收器,壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào).將它輸入示波器,我們就可看到一組由聲壓信號(hào)產(chǎn)生的正弦波形.由于S2在接收聲波的同時(shí)還能反射一局部超聲波,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)生了波的干預(yù),形

11、成駐波.我們?cè)谑静ㄆ魃嫌^察到的實(shí)際上是這兩個(gè)相干波合成后在聲波接收器S2處的振動(dòng)情況.移動(dòng) S2位置即改變S1和S2之間的距離,你從示波器顯示上會(huì)發(fā)現(xiàn),當(dāng) S2在某此位置時(shí)振幅有最小值.根據(jù)波的干預(yù)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入/ 2.為了測(cè)量聲波的波長(zhǎng),可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時(shí),緩慢的改變S1和S2之間的距離.示波器上就可以看到聲振動(dòng)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 入/2; S2移動(dòng)過的距離亦為 入/2.超聲換能器S2至S1之間的距離的改 變可通過轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪來實(shí)現(xiàn),而超聲波的頻率又可由聲

12、速測(cè)試儀信號(hào)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)屢次測(cè)量相隔半波長(zhǎng)的S2的位置變化及聲波頻率 f以后,我們可運(yùn)用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出聲速,用逐差法處理測(cè)量的數(shù)據(jù).3. 相位法測(cè)量原理由前述可知入射波E 1與反射波E 2疊加,形成波束E3即 E 3 =A1cos2 n x / 入cos w t+A2cos w t - 2 n x / 入即對(duì)于波束：E 1 =Acos w t - 2 n x /入由此可見,在經(jīng)過厶x距離后,接收到的余弦波與原來位置處的相位差相移為0 =2 n x /入.如圖5所示.因此能通過示波器,用李薩如圖法觀察測(cè)出聲波的波長(zhǎng).4. 時(shí)差法測(cè)量原理連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制

13、后由發(fā)射換能器發(fā)射至被測(cè)介質(zhì)中,聲波在介質(zhì)中傳播,經(jīng)過t時(shí)間后,到達(dá) L距離處的接收換能器.由運(yùn)動(dòng)定律可知,聲波在介質(zhì)中傳播的速度可由以 下公式求出：速度V=距離L/時(shí)間t圖4發(fā)射波與接收波通過測(cè)量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時(shí)間t ,就可以計(jì)算出當(dāng)前介質(zhì)下的聲波傳播速度.五、【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 儀器在使用之前,加電開機(jī)預(yù)熱15min.在接通市電后,自開工作在連續(xù)波方式,選擇的介質(zhì)為空氣的初始狀態(tài).2. 駐波法測(cè)量聲速.2.1測(cè)量裝置的連接：圖5駐波法、相位法連線圖如圖5所示,信號(hào)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(hào),請(qǐng)接至測(cè)試架的發(fā)射換能器S1;信號(hào)源面板上的發(fā)射端的

14、發(fā)射波形Y1,請(qǐng)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(cè)定壓電陶瓷換能器的最正確工作點(diǎn)只有當(dāng)換能器S1的發(fā)射面和S2的接收面保持平行時(shí)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(dòng)信號(hào)頻率調(diào)節(jié)到換能器S1、S2的諧振頻率點(diǎn)處時(shí),才能較好的進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換實(shí)際上有一個(gè)小的通頻帶,以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果.按照調(diào)節(jié)到壓電陶瓷換能器諧振點(diǎn)處的信號(hào)頻率,估計(jì)一下示波器的掃描時(shí)基t/div,并進(jìn)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(qiáng)度旋鈕,使聲速測(cè)試儀信

15、號(hào)源輸出適宜的電壓810VP-P之間,再調(diào)整信號(hào)頻率在2545kHz ,選擇適宜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(shí)接收波的電壓幅度變化,在某一頻率點(diǎn)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(diǎn),記錄頻率FN,改變S1和S2間的距離,適中選擇位置,重新調(diào)整,再次測(cè)定工作頻率,共測(cè)5次,取平均頻率f.2.3測(cè)量步驟將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式,適宜選擇相應(yīng)得測(cè)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(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪,這時(shí)波形的幅度會(huì)發(fā)生變化,記錄下幅度為最大時(shí)的距離Li-1,距離由數(shù)顯尺(數(shù)

16、顯尺原理說明見附錄2)或在機(jī)械刻度上讀出,再向前或者向后(必須是一個(gè)方向)移動(dòng)距離,當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時(shí),記 錄下此時(shí)的距離 Li.即有：波長(zhǎng)入i=2 | Li -Li-1|,屢次測(cè)定用逐差法處理數(shù)據(jù).3. 相位法/李薩如圖法測(cè)量波長(zhǎng)的步驟將測(cè)試方法設(shè)置到連續(xù)波方式,適宜選擇相應(yīng)的測(cè)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,并選擇適宜的通道增益.轉(zhuǎn)動(dòng)距離調(diào)節(jié)鼓輪,觀察波形為一定角 度的斜線,記錄下此時(shí)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(jī)械刻度尺上讀出,再向前或者向后(必須是一個(gè)方向)移動(dòng)距離,使觀察到的波形又回到前面所說 的特定角度的斜線

17、,記錄下此時(shí)的距離Li.即有：波長(zhǎng)入 i= | Li -Li-1|篇三：聲速的測(cè)量與示波器的使用用共振干預(yù)法測(cè)量聲波的波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖.圖中S1和S2為壓電超聲換能器.信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦交流信號(hào)加到S1上,由S1完成電聲轉(zhuǎn)換,作為聲源,發(fā)出波前近似為平面的聲波；S2作為超聲波接收換能器,將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后接入示波器觀察.S2在接收聲波的同時(shí),其外表還反射一部分聲波.當(dāng)S1與S2的外表互相平行時(shí),往返于 S1與S2之間的聲波發(fā)生干預(yù)而形成駐波.依波動(dòng)理論,設(shè)沿 X方向射出的入射波方程為y1= Acos( 3 t-2 n 入 x)反射波方程為y2=Acos( 3 t+2 n 入 x)式中,A為聲源振幅；3為角頻率；2 n x入為由于波動(dòng)傳播到坐標(biāo)x處(t時(shí)刻)引起的位相變化.在任意時(shí)刻t,空氣中某一位置處的合振動(dòng)方程為y=y1+y2=(2Acos2 n 入 x)cos 31上式即為駐波方程.當(dāng)cos2 n入x=1,即2 n入x=k n時(shí),在x=k 入2