西安交通大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(2)

1、建筑物理仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告超聲波測聲速班級：計(jì)算機(jī)11學(xué)號：2110505018 姓名：司默涵西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告第1 頁（共10頁）課程： 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn) 日期： 2012 年 11月 26日專業(yè)班號計(jì)算機(jī)11 組別 無 交報(bào)告日期：2012年 11月 30 日姓 名 司默涵 學(xué)號 2110505018 報(bào) 告退發(fā)：（訂正、重做） 同組者 司默涵 教師審批簽字:實(shí)驗(yàn)名稱：超聲波測聲速、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 .了解超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射、和接收方法;2 .用駐波法、相位比較法測量聲速。、實(shí)驗(yàn)儀器：SV-DH系列聲速測試儀，示波器，聲速測試儀信號源三、實(shí)驗(yàn)原理:由波動(dòng)理論可知，波速與波長、頻率有如下關(guān)系：v

2、= f，樂要知道頻率和波長就可以求出波速。本實(shí)驗(yàn)通過低頻信號發(fā)生器控制換能器，信號發(fā)生器的輸 出頻率就是聲波頻率。聲波的波長用駐波法（共振干涉法）和行波法（相位比較 法）測量。下圖是超聲波測聲速實(shí)驗(yàn)裝置圖。1.駐波法測波長由聲源發(fā)出的平 入射波與發(fā)射波疊加,1111ft- -面波經(jīng)前方的平面反射后, 它們波動(dòng)方程分別是：疊加后合成波為:y = (24cm 2忒!cos 2啦振幅最大的各點(diǎn)稱為波腹，其對應(yīng)位置：X = 土加 2( n 二0,1, 2, 3 )振幅最小的各點(diǎn)稱為波節(jié)，其對應(yīng)位置：X = ±(2« +1)兄/4( 口 =Q,，2, 3)因此只要測得相鄰兩波腹(或波

3、節(jié))的位置 Xn、Xn-1即可得波長。2.相位比較法測波長從換能器S1發(fā)出的超聲波到達(dá)接收器 S2,所以在同一時(shí)刻S1與S2處的波 有一相位差：爐=2而心 o因?yàn)閤改變一個(gè)波長時(shí)，相位差就改變2冗。利用 李薩如圖形就可以測得超聲波的波長。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟：1 .接線2 .調(diào)整儀器(1)示波器的使用與調(diào)整使用示波器時(shí)候，請先調(diào)整好示波器的聚焦。然后鼠標(biāo)單擊示波器的輸入信 號的接口，把信號輸入示波器。接著調(diào)節(jié)通道 1, 2的幅度微調(diào)，掃描信號的時(shí) 基微調(diào)。最后選擇合適的垂直方式選擇開關(guān)， 觸發(fā)源選擇開關(guān)，內(nèi)觸發(fā)源選擇開 關(guān)，Auto-Norm-X-Y開關(guān)，在示波器上顯示出需要觀察的信號波形。

4、 輸入信道的 信號是由實(shí)驗(yàn)線路的連接決定的。(2)信號發(fā)生器的調(diào)整根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求調(diào)整信號發(fā)生器， 產(chǎn)生頻率大概在35KHz左右，幅度為5V 的一個(gè)正弦信號。由于本實(shí)驗(yàn)測聲速的方法需要通過換能器(壓電陶瓷)共振把 電信號轉(zhuǎn)為聲信號，然后再轉(zhuǎn)為電信號進(jìn)行的，所以在開始測量前需要調(diào)節(jié)信號 的頻率為換能器的共振頻率。在尋找共振頻率時(shí)，通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的微調(diào)旋 鈕，觀察示波器上信號幅度是否為最大來逐步尋找的。(3)超聲速測定儀的使用在超聲速測定儀中，左邊的換能器是固定的，右邊的換能器是與游標(biāo)卡尺的 滑動(dòng)部分連接在一起的。這樣，左右換能器間的距離就可以通過游標(biāo)卡尺來測量 出來，在上圖的下半部分是一個(gè)放大

5、的游標(biāo)卡尺的讀數(shù)圖。3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容尋找到超聲波的頻率(就是換能器的共振頻率)后，只要測量到信號的波長 就可以求得聲速。我們采用駐波法和相位比較法來測量信號波長：(1)駐波法信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號通過超聲速測定儀后，會在兩個(gè)換能器件之間產(chǎn)生駐 波。改變換能器之間的距離（移動(dòng)右邊的換能器）時(shí)，在接收端（把聲信號轉(zhuǎn)為電信號的換能器）的信號振幅會相應(yīng)改變。當(dāng)換能器之間的距離為信號波長的一 半時(shí)，接受端信號振幅為最大值。實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)示波器的垂直方式選擇開關(guān)， 觸發(fā)源選擇開關(guān)，內(nèi)觸發(fā)源選擇開 關(guān)，Auto-Norm-X-Y開關(guān)，使屏幕上顯示出接受端信號，圖見前面“調(diào)整儀器” 中“示波器的使用與調(diào)整”部分。然后，

6、一邊移動(dòng)右邊換能器，一邊觀察示波器 上的信號幅度。當(dāng)信號幅度為最大值時(shí)，通過放大的游標(biāo)卡尺讀出此時(shí)換能器問 的距離。兩個(gè)相鄰的信號幅度最大時(shí)換能器間的距離差就是波長的一半。（2）相位比較法由于兩個(gè)換能器間有距離，這樣在兩個(gè)換能器處的信號有一相位差。當(dāng)換 能器間距離改變一個(gè)波長時(shí)，相位差改變 2p。實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)示波器的垂直方式選擇開關(guān)，觸發(fā)源選擇開關(guān)，內(nèi)觸發(fā)源選擇開關(guān)， Auto-Norm-X-Y開關(guān)，使屏幕上顯示出兩個(gè)換能器端信號產(chǎn)生的李撒如圖（見圖 11）。然后，一邊移動(dòng)右邊換能器，一邊觀察示波器上的李撒如圖。當(dāng)觀察到兩 個(gè)信號的相位差改變2時(shí)，通過放大的游標(biāo)卡尺讀出此時(shí)換能器間的距離。五、注

7、意事項(xiàng)：1 .確保換能器S1和S2端面的平行。2 .信號發(fā)生器輸出信號頻率與壓電換能器諧振頻率 f0保持一致。六、實(shí)驗(yàn)經(jīng)過及數(shù)據(jù)記錄：（1）駐波法測聲速連線如圖駐波法CGB.EXE接線檢查通調(diào)節(jié)各儀器到如下圖所示狀態(tài)（所示波峰峰值最大）：指T 志XT1UF /DIV讀數(shù)：3.98mm ;再調(diào)節(jié)聲速測試儀，使所示波峰峰值重新達(dá)到最大讀數(shù)：9.28mm以此類推，讀出多組數(shù)據(jù)，記錄如下所示14.36mm19.54mm24.88mm29.98mm35.28mm40.42mm45.66mm50.74mm55.94mm61.12mm66.36mm71.56mm76.82mm81.98mm87.14mm92

8、.34mm97.66mm102.76mm108.04mm113.12mm(2)相位比較法 連線如圖相位法調(diào)節(jié)各儀器到如下圖所示狀態(tài):TIME DIV讀數(shù)：9.20mm再調(diào)節(jié)聲速測試儀，使所示波型與前一次相同:超聲速測定儀調(diào)節(jié)狀態(tài)粗調(diào)商維調(diào)！TI ( I !l! I ( WB f讀數(shù)：19.62mm;以此類推，讀出多組數(shù)據(jù)，記錄如下30.00mm40.42mm50.82mm61.18mm71.62mm82.00mm92.42mm102.82mm113.18mm123.58mm七、數(shù)據(jù)處理：(1)駐波法3.98mm-9.28mm-14.36mm-19.54mm-24.88mm-29.98mm-35

9、.28mm-40.42mm-45. 66mm-50.74mm-55.94mm+61.12mm+66.36mm+71.56mm+76.82mm+81.98mm+87. 14mm+92.34mm+97.66mm +102.76mm+108.04mm +113.12mrm /121=5.20mmV f 0.01039m 35000 Hz 363.86m/s(2)相位比較法9.20mm-19.62mm-30.00mm-40.42mm-50.82mm-61.18mm+71.62mm+82.00mm +92.42mm+102.82mm+113.18mm +123.58mm) /36= 10.40mmV f 0.01040m 35000 Hz 363.98m/s八、小結(jié)(包括誤差分析、結(jié)論、建議等)25誤差分析：V。331.45 / -25 346.28m/s (設(shè)室溫為25攝氏,273.15度。)百分誤差 Er 363.98 346.28 1000，0 5.11%) /346.28=5.11%346.28誤差可能的原因：1、在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，每次依照所示波調(diào)節(jié)聲速測試儀時(shí)，都只能靠肉眼察，所以無法準(zhǔn)確調(diào)到適當(dāng)位置，存在較大誤差。2、聲速測試儀信號源輸出的波形可能不是我們想象的那么精確，導(dǎo)致最后所測聲速偏大。結(jié)論：通過超聲波之間的干涉，可以通過測量和計(jì)算得到聲速的值。建議：本實(shí)驗(yàn)的完成很是順