聲速測量和示波器使用

1、聲速測量和示波器使用聲速測量和示波器使用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解聲波在空氣中的傳播速度與氣體狀態(tài)參數(shù)之間 的關(guān)系；2.了解壓電換能器的功能，加深對駐波及振動合成理 論的理解；3.掌握示波器的使用方法；4.學(xué)會一種測量空氣中聲速的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1.聲波在空氣中的傳播速度空氣中傳播的聲波的傳播速度(聲速)可寫為： (18-3)000145.3311TtTt vv其中，T0=273.15 K，t為環(huán)境溫度。式(18-3)可作為空氣中聲速的理論計算公式。2.空氣中聲速的測量原理(1)測聲速的基本原理由聲速與頻率、波長間的關(guān)系：v=f (18-4)可知，測出聲波的頻率f與波長，即可由式(18-4)算出聲

2、速v。(2)用共振干涉(駐波)法測量聲波的波長 用共振干涉法測量聲波的波長的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。用共振干涉（駐波）法測量聲波的波長的實(shí)驗(yàn)裝置用共振干涉（駐波）法測量聲波的波長的實(shí)驗(yàn)裝置依波動理論，設(shè)沿X方向射出的入射波方程為：)2cos(1xtAy反射波方程為：)2cos(2xtAy在任意時刻t，空氣中某一位置處的合振動方程為： txAyyycos)2cos2(21上式即為駐波方程上式即為駐波方程。(3)相位比較(行波)法測聲波波長用相位比較法測量聲波的波長的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示：相位比較相位比較(行波行波)法測量聲波的波長的實(shí)驗(yàn)裝置法測量聲波的波長的實(shí)驗(yàn)裝置 當(dāng)發(fā)射器與接收器之間距離為L時，在發(fā)

3、射器驅(qū)動正弦信號與接收器接收到的正弦信號之間將有相位差=2L/=2n+ 若將發(fā)射器驅(qū)動正弦信號與接收器接收到的正弦信號分別接到示波器的X及Y輸入端，則相互垂直的同頻率正弦波干涉，其合成軌跡稱為李薩如圖，如圖所示。相位差不同時的李薩如圖相位差不同時的李薩如圖三、實(shí)驗(yàn)儀器ZKY-SSA型超聲聲速測定儀；XD-7S低頻信號發(fā)生器；COS5020B型通用示波器。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1.熟悉儀器按圖18-1接好線路，對照儀器仔細(xì)閱讀“實(shí)驗(yàn)儀器”部分的內(nèi)容。 由波腹(或波節(jié))條件可知，相鄰兩個波腹(或波節(jié))間的距離為 /2 ，當(dāng)S1和S2間的距離L恰好等于半波長的整數(shù)倍，即L=n/2 ， n=0，1，2，3

4、 時，聲振幅為極大值。此時接收換能器S2接收到的聲壓也是極大值，在示波器上觀察到的經(jīng)S2轉(zhuǎn)換成的電信號也是極大值。2.儀器的調(diào)整(1)將接收換能器S2向發(fā)射換能器靠攏并注意留有約1 cm左右的間隙 (2)調(diào)節(jié)設(shè)置低頻信號發(fā)生器,先調(diào)節(jié)“頻率粗調(diào)鈕11”再調(diào)節(jié)“頻率細(xì)調(diào)鈕10”，使“頻率數(shù)碼顯示12”所顯示的頻率讀數(shù)處于換能器的諧振頻率范圍3040 kHz之間。 (3)將接收換能器S2的輸出端信號線接入示波器的“CH2通道(垂直)信號輸入端10”。 3.諧振狀態(tài)的確定用示波器觀察由S2接收并轉(zhuǎn)換成的電信號。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的“頻率粗調(diào)鈕11”及“頻率細(xì)調(diào)鈕10”，使示波器顯示的波形振幅最大。此時信

5、號發(fā)生器的工作頻率即為換能器的固有頻率。4.S2的起始最大值位置的確定 緩慢移動S2，可在示波器上觀察到波形振幅的變化。將S2移到某一振幅最大處，固定S2，記錄下S2對應(yīng)的卡尺讀數(shù)作為第一個極大值位置數(shù)據(jù)S1，作為測量S2與S1之間距離L的起始位置。5.用干涉法測聲速 為提高實(shí)驗(yàn)精度，充分利用數(shù)據(jù)資源，本實(shí)驗(yàn)采用逐差法處理數(shù)據(jù)。為此，需要測量兩組數(shù)據(jù)，使兩組數(shù)據(jù)中互相對應(yīng)的項(xiàng)間相差20個半波長。 6.記錄室內(nèi)溫度記錄下實(shí)驗(yàn)時實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度t，用于計算聲速的理論預(yù)期值，供與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較之用。7. 相位比較(行波)法測聲波波長（用另一種方法驗(yàn)證測量結(jié)果） 把接收換能器S2接入示波器的1通道，用三通

6、BNC接頭從信號源引出另一路信號接入示波器的2通道，使示波器處于“（X-Y）”工作狀態(tài) .此時相互垂直的同頻率正弦波干涉，其合成軌跡稱為李薩如圖，如圖18-3所示。 五、注意事項(xiàng)1.實(shí)驗(yàn)過程中要保持信號發(fā)生器的工作頻率始終工作于換能器的固有頻率上，并保持輸出電壓基本不變。2.實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意保持換能器發(fā)射面與接收面的平行。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與處理1.頻率的測量： f= 0.05 kHz; f=0.05 kHz2.波長的測量：室溫t= ; 10個波長的儀器誤差儀=0.02 mm110)(110)(230,1021, 12110jiijniiSxxA2210儀儀B10210210BA(1)10的A類不確定度：(2)10的B類不確定度：(3)10的總不確定度： mm mm mm(4)=(Sj-i10)/10= mm3.計算出波速值：(1) fv = m/s22)()(ffErrEvvvvv(2) (3) = m/s m/s %(4) 4.與理論預(yù)期值比較：(1) 000)5.16(145.