大學(xué)物理實驗超聲波速測量實驗報告

1、大學(xué)物理實驗超聲波速測量實驗報告一實驗?zāi)康?. 了解超聲波的物理特性及其產(chǎn)生機制；2. 學(xué)會用相位法測超聲波聲速并學(xué)會用逐差法處理數(shù)據(jù)；3. 測量超聲波在介質(zhì)中的吸收系數(shù)及反射面的反射系數(shù)；4. 并運用超聲波檢測聲場分布。5. 學(xué)習(xí)超聲波產(chǎn)生和接收原理，6. 學(xué)習(xí)用相位法和共振干涉法測量聲音在空氣中傳播速度，并與公認(rèn)值進行比較。7. 觀察和測量聲波的雙縫干涉和單縫衍射二實驗條件HLD-SV-II 型聲速測量綜合實驗儀，示波器，信號發(fā)生儀三實驗原理1、超聲波的有關(guān)物理知識聲波是一種在氣體。液體、固體中傳播的彈性波。聲波按頻率的高低分為次聲波（ f20Hz ）、聲波（20Hz f 20kHz）、超

2、聲波（f>20kHz）和特超聲波（f 10MHz ），如下圖。聲波頻譜分布圖振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生如下形式的震蕩波：橫波：質(zhì)點振動方向和傳播方向垂直的波，它只能在固體中傳播?？v波：質(zhì)點振動方向和傳播方向一致的波，它能在固體、液體、氣體中的傳播。表面波： 當(dāng)材料介質(zhì)受到交變應(yīng)力作用時， 產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎ?介質(zhì)表面的質(zhì)點做橢圓的振動，因此表面波只能在固體中傳播且隨深度的增加衰減很快。板波：在板厚與波長相當(dāng)?shù)膹椥员“逯袀鞑サ牟?，可分為SH 波與蘭姆波。超聲波由于其波長短、頻率高，故它有其獨特的特點：繞射現(xiàn)象小，方向性好，能定向傳播； 能量較高，穿透力強，在傳播過程中衰減很小，在水中可以比

3、在空氣或固體中以更高的頻率傳的更遠(yuǎn)，而且在液體里的衰減和吸收是比較低的；能在異質(zhì)界面產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。2、理想氣體中的聲速值聲波在理想氣體中的傳播可認(rèn)為是絕熱過程，因此傳播速度可表示為rRTV(1)式中 R 為氣體普適常量(R=8.314J/(mol.k)，是氣體的絕熱指數(shù)( 氣體比定壓熱容與比定容熱容之比 ) ，為分子量， T為氣體的熱力學(xué)溫度， 若以攝氏溫度t 計算，則：TT0tT0273.15K代入式 (1) 得，VrR (T0 t) rR T01t V01t(2)T0T0對于空氣介質(zhì)， 0時的聲速 V 0 =331.45m /s 。若同時考慮到空氣中的蒸汽的影響，校準(zhǔn)后聲速公式

4、為：V331.45 (1t)(10.319 pw)m / s(3)T0p式中 pw 為蒸汽的分壓強，p 為大氣壓強。3、共振干涉法設(shè)有一從發(fā)射源發(fā)出的一定頻率的平面聲波，經(jīng)過空氣傳播， 到達(dá)接收器， 如果接收面與發(fā)射面嚴(yán)格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與反射波相干涉形成駐波，反射面處為位移的波節(jié)。改變接收器與發(fā)射源之間的距離l ，在一系列特定的距離上，媒質(zhì)中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。此時，l 等于半波長的整數(shù)倍，駐波的幅度達(dá)到極大；同時，在接收面上的聲壓波腹也相應(yīng)地達(dá)到極大值。不難看出， 在移動接收器的過程中，相鄰兩次達(dá)到共振所對應(yīng)的接收面之間的距離即為半波長。因此，若保持頻率v 不變

5、，通過測量相鄰兩次接收信號達(dá)到極大值時接收面之間的距離(/ 2 ) ，就可以用 Vv計算聲速。聲壓變化與接收器位置的關(guān)系：4、相位比較法發(fā)射波通過傳聲媒質(zhì)到達(dá)接收器，所以在同一時刻，發(fā)射處的波與接收處的波的相位不同，其相位差可利用示波器的李薩如圖形來觀察。和角頻率、傳播時間t 之間有如下關(guān)系：t同時有：2/ T,tl,TVV（式中T 為周期），代入上式可求得聲速V 。的確定用如下方法：根據(jù)2l /當(dāng) ln/ 2(n1,2,3,.) 時，得n。實驗時， 通過改變發(fā)射器與接收器之間的距離，可觀察到相位的變化。而當(dāng)相位差改變時，相應(yīng)的距離l的改變量即為半個波長。為精確測定波長的值，在實際的操作中要連

6、續(xù)測多個相位改變的點的坐標(biāo)，再用逐差法算出波長的值，根據(jù)波長和頻率值可求出聲速。行波法相位差圖：5 聲速測量及聲波的雙縫干涉與單絲衍射由于超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射及抗干擾等優(yōu)點，所以在超聲波段進行聲速測量是比較方便的。 本實驗用共振干涉法和相位比較法測量聲音在空氣中傳播的聲速；并研究聲波雙縫干涉， 單縫衍射及聲波的反射現(xiàn)象，將測量結(jié)果與理論計算進行比較，從而對波動學(xué)的物理規(guī)律和基本概念有更深的理解。6、聲波的干涉和衍射雙縫干涉實驗裝置如圖1 所示。對于不同的角，如果從雙縫到接收器的程差是零或波長的整數(shù)倍， 就會產(chǎn)生相長干涉，因而觀察到干涉強度的極大值；當(dāng)程差是半波長的奇數(shù)倍時，干涉強度有

7、極小值。因此，干涉強度出現(xiàn)極大值與極小值的條件如下：極大值： d sinn極小值： d sin(n1 )2式中， n 為零或整數(shù)， d 為二個縫中心位置的距離，(4)(5)為聲音的波長。dra圖 1衍射效應(yīng)用超聲波也可以觀察到，采用 1 個單縫， 如圖 2 所示。當(dāng)來自單縫的一半的輻射與來自另一半的輻射相差半波長奇數(shù)倍時，會產(chǎn)生相消干涉，因此相消干涉條件是：a1（ 6）sin( n )22式中， n=0，± 1，± 2， a 為單縫縫寬，為接收器離中心位置轉(zhuǎn)過角度。ar圖 2三、實驗內(nèi)容( 一 ) ：聲音在空氣中傳播速度測量1、調(diào)整測試系統(tǒng)的諧振頻率按圖 4 將實驗裝置接好

8、。正弦波的頻率取40KHz，調(diào)節(jié)接收換能器盡可能近距離，且使示波器上的電源信號為最大。然后，將兩個換能器分開稍大些距離（約5-6cm），使接收換能器輸入示波器上的電壓信號為最大。再調(diào)節(jié)頻率， 使該信號確實為該位置極大值。此時信號源輸出頻率才最終等于二個換能器的固有頻率。在該頻率上，換能器輸出較強的超聲波。2、在諧振頻率處用共振法和相位法測聲速。當(dāng)測得一聲速極大值后，連續(xù)地移動接收端的位置，測量相繼出現(xiàn)20 個極大值所相應(yīng)的各接收面位置Li ，再用逐差法求波長值。在用相位比較法時，將接收器與示波器的Y 軸相連， 發(fā)射器與示波器X 軸相連， 即可利用李薩如圖形來觀察發(fā)射波與接收波的相位差，適當(dāng)調(diào)節(jié)

9、Y 軸和 X 軸靈敏度， 就能獲得比較滿意的李薩如圖形。對于兩個同頻率互相垂直的簡諧振動的合成，隨著兩者之間相位差從0- 變化，其李薩如圖形由斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再由橢圓變到斜率為負(fù)的直線。記錄游標(biāo)卡尺上讀數(shù)時，應(yīng)選擇李薩如圖形為直線時所對應(yīng)的位置。每移動半個波長，就會重復(fù)出現(xiàn)斜率正負(fù)交替的直線圖形。3、本實驗溫度應(yīng)正確仔細(xì)地測量（為什么？），并測出溫度計干泡溫度和濕泡溫度，查表得到該狀態(tài)下的pw 值，再測得實驗室當(dāng)時的氣壓值p，（干燥天氣可不必測量pw 和 p）（詳見參考資料1 和 3），則可由式（3）求出聲速值。4、將上述兩種方法的測量結(jié)果比較，計算相對偏差。選做實驗：（設(shè)計性實驗）（

10、二）聲波的雙縫干涉用圖 1 所示雙縫裝置來做干涉實驗。實驗須滿足公式（4）和公式（ 5）條件。為了減少由于兩個縫處的衍射所引起的復(fù)雜性。簡單的辦法是每個縫寬度均小于1 個波長（約8-9mm為一個波長），縫寬僅 2-3mm，而兩個縫相隔為幾個波長， （實際使用雙縫間距約為3 倍波長）。這時， 測量出主極大，次極大和極小值的位置。要觀察更多極大值和極小值位置，須將固定螺絲卸下，放好后。轉(zhuǎn)動更大角度觀察到。（三）聲波的單縫衍射用圖 2 所示雙縫裝置來做觀察聲波的單縫衍射實驗（注意卸下固定螺絲必須保管好）。體會聲波衍射的物理含義。將轉(zhuǎn)動緊固螺絲卸下( 注意螺絲和螺帽不能掉) 放在紙盒內(nèi)。 將接收器繞軸心轉(zhuǎn)動，可以觀察接收信號在不同角位置時強度的變化，由公式(6) 可估算一級極小值的角度。可以在滿足公式 (6) 的條件下，觀測到一級極小值。估算一下衍射是否與理論值一致，轉(zhuǎn)動更大角度時，可觀測到一級極大值。四、使用注意事項1、儀器與裝置連接的電纜線，不宜多拆、多接。角度固定螺絲也不宜讓學(xué)生經(jīng)常卸下。最佳方案是配一套公用“聲速測量綜合實驗儀”。讓學(xué)生學(xué)習(xí)接拆同軸電纜接頭，以及觀測大角度時雙縫干涉和單縫衍射，并備1 個大量角器。2、數(shù)顯游標(biāo)卡尺使用時，應(yīng)輕輕移動，移動時速度須慢而均勻。實驗結(jié)束時，應(yīng)將數(shù)顯部分電源