超聲波聲速的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)名稱超聲波聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)編號(hào)0801011實(shí)驗(yàn)課時(shí)3類別必修（） 限選（ ） 任選（ ） 類型演示、驗(yàn)證（ ）綜合、設(shè)計(jì)（ ）輔助教師職稱授課對(duì)象全校工科本科生、?？粕滩闹v義王宏波等大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(上)東北林業(yè)大學(xué)出版社，2004實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（教學(xué)過程）備注實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 進(jìn)一步熟悉示波器的基本結(jié)構(gòu)和原理。(2) 了解壓電換能器的功能，加深對(duì)駐波及振動(dòng)合成等理論知識(shí)的理解。(3) 學(xué)習(xí)幾種測(cè)定聲波傳播速度的原理和方法。(4) 通過時(shí)差法對(duì)聲波傳播速度的測(cè)量，了解聲納技術(shù)的原理及其重要的實(shí)用意義。實(shí)驗(yàn)方法原理聲波是一種彈性媒質(zhì)中傳播的縱波，波長(zhǎng)、強(qiáng)度、傳播速度等是聲波的重要參數(shù)，超聲波是頻率大于

2、20 kH的機(jī)械波，本實(shí)驗(yàn)利用聲速與振動(dòng)頻率f和波長(zhǎng)之間的關(guān)系v = f來測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度。SV5型聲速測(cè)量組合實(shí)驗(yàn)儀（含專用信號(hào)源），可以做時(shí)差法測(cè)定超聲波傳播速度的實(shí)驗(yàn)；配以示波器可完成利用共振干涉法，雙蹤比較法和相應(yīng)比較法測(cè)量聲速的任務(wù)。本聲速測(cè)量?jī)x是利用壓電體的逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生超聲波，利用正壓電效應(yīng)接收超聲波，測(cè)量聲速的四種實(shí)驗(yàn)方法如下：（由于聲波頻率可通過聲源的振動(dòng)頻率得出，所以測(cè)量聲波波長(zhǎng)是本實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)。）（1）李薩如圖形相位判別法頻率相同的李薩如圖形隨著的不同，其圖形的形狀也不同，當(dāng)形狀為傾斜方向相同的直線兩次出現(xiàn)時(shí)，變化2，對(duì)應(yīng)接受器變化一個(gè)波長(zhǎng)。（2）共振法由發(fā)

3、射器發(fā)出的平面波經(jīng)接受器發(fā)射和反射器二次反射后，在接受器與發(fā)射器之間形成兩列傳播方向相同的疊加波，觀察示波器上的圖形，兩次加強(qiáng)或減弱的位置差即為波形。（3）雙蹤相位比較法直接比較發(fā)信號(hào)和接收信號(hào)，同時(shí)沿傳播方向移動(dòng)接受器位置，尋找兩個(gè)波形相同的狀態(tài)可測(cè)出波長(zhǎng)。（4）時(shí)差法測(cè)出脈沖聲速傳播距離X和所經(jīng)歷時(shí)間t, 便可求得聲速。實(shí)驗(yàn)裝置YB4320F示波器1臺(tái)，SV5型聲速測(cè)量組合實(shí)驗(yàn)儀(含專用信號(hào)源)1臺(tái)。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備檢查全部實(shí)驗(yàn)裝置工作是否正常，特別是3根同軸電纜。實(shí)驗(yàn)步驟(1) 李薩如圖形相位比較法轉(zhuǎn)動(dòng)聲速測(cè)量組合實(shí)驗(yàn)儀的距離調(diào)節(jié)鼓輪，觀察波形當(dāng)出現(xiàn)兩次傾斜方向相同的傾斜直線時(shí)，記錄這兩次換能器

4、的位置，兩次位置之差為波長(zhǎng)。(2) 共振法移動(dòng)聲速測(cè)量?jī)x手輪會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)振幅發(fā)生變化，信號(hào)變化相鄰兩次極大值或極小值所對(duì)應(yīng)的接受器移動(dòng)的距離即是/2 ，移動(dòng)手輪，觀察波形變化，在不同位置測(cè)6次，每次測(cè)3個(gè)波長(zhǎng)的間隔。(3) 比較法使雙通道兩路信號(hào)雙蹤顯示幅度一樣，移動(dòng)手法會(huì)發(fā)現(xiàn)其中一路在移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)信號(hào)兩次與固定信號(hào)重合時(shí)所對(duì)應(yīng)的接收器移動(dòng)的距離是，移動(dòng)手輪，觀察波形變化，多記錄幾次兩路信號(hào)重合時(shí)的位置，利用逐差法求波長(zhǎng)。(4) 時(shí)差法轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使兩換能器的距離加大，每隔10mm左右記錄一次數(shù)據(jù)和,根據(jù)公式獲得一系列vi后，可以利用逐差法求得聲速v的平均值。數(shù)據(jù)處理(1) 李薩如圖形相位比較法溫度

5、20.8 信號(hào)發(fā)生器顯示頻率37.003 kHz接受器位置序號(hào)012345接受器位置坐標(biāo) /mm55.4064.5373.9483.4092.65101.90接受器位置序號(hào)67891011接受器位置坐標(biāo) /mm111.30120.68129.95139.25148.60158.0655.9056.1556.0155.8555.9556.169.329.369.349.319.339.36(2) 共振法溫度20.8 信號(hào)發(fā)生器顯示頻率37.012 kHz次數(shù)接受器記錄被測(cè)數(shù)被測(cè)數(shù)n/mm=x/n /mm148.2076.28328.089.369.36×10-3276.28104.40

6、328.129.373104.40132.41328.019.344132.41160.59328.189.395160.59188.69328.109.376188.69216.72328.039.34其中m；數(shù)據(jù)處理(3) 比較法溫度20.8 信號(hào)發(fā)生器顯示頻率37.015 kHz接受器位置序號(hào)012345接受器位置坐標(biāo)57.6567.0476.3886.7595.12104.59接受器位置序號(hào)67891011接受器位置坐標(biāo)114.06123.50132.77142.26151.58161.09 /mm56.4156.4656.3955.5156.4656.509.409.419.409.

7、259.419.42(4)時(shí)差法溫度20.8 信號(hào)發(fā)生器顯示頻率37.032 kHz接收器位置序號(hào)i012345接收器位置坐標(biāo)xi /mm56.8566.8076.8086.8096.80106.80脈沖傳播時(shí)間ti /us347377407434465491接收器位置序號(hào)i67891011接收器位置坐標(biāo) xi /mm116.80126.80136.80146.80156.80166.80脈沖傳播時(shí)間 ti /us522551579606635663342.57344.83348.84348.84352.94348.84 mm/s(5) 環(huán)境溫度為T()時(shí)的聲速(6) 不確定度的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

8、 取k = 2，則U=21. 示波器在使用過程中熒光屏上只有一條水平亮線而沒有被測(cè)信號(hào)是什么原因造成的?答：在示波器的使用過程中，上述現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的原因很多，大致可歸納為： 示波器接地（GND）（測(cè)量時(shí)接地按鍵GND應(yīng)該彈起）； 衰減開關(guān)VOLTS/DIV選擇過大（測(cè)量時(shí)可先選擇小些）； 信號(hào)發(fā)生器輸出過小或沒有輸出； 信號(hào)發(fā)生器輸出直流信號(hào)； 在信號(hào)的傳輸中，導(dǎo)線或接頭接觸不良，也可造成該現(xiàn)象； 示波器的相關(guān)功能鍵都應(yīng)選擇在正確工作狀態(tài)下。 總之，影響的因素很多，要求使用者在使用前一定認(rèn)真閱讀教材。2. 在測(cè)量聲速時(shí)，Y1(CH1)的輸入信號(hào)，由于示波器的Y軸放大器、壓電轉(zhuǎn)換器、聯(lián)接線路的相移等原因并不與聲波的位相相同，這對(duì)于觀察測(cè)量聲波波長(zhǎng)有無影響? 為什么?答：沒有影響。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)是波在傳播過程中位相差為2的兩點(diǎn)間的距離，與該處位相無關(guān)，所以無影響。3. 試比較幾種測(cè)聲速方法的優(yōu)缺點(diǎn)。 答：實(shí)驗(yàn)講義上共列出了三種測(cè)量方法：李薩如圖相位比較法，共振法，波形相位比較法。一般說來，李薩如圖相位比較法測(cè)量的比較準(zhǔn)，同時(shí)便于對(duì)知識(shí)的溫新和鞏固，對(duì)于示波器的使