聲速測定試驗精PPT學習教案

1、聲速測定試驗精聲速測定試驗精【實驗目的實驗目的】 （1）學習測量空氣中聲速的兩種方法：共振干涉法和相位比較法。 （2）加深對駐波和振動合成理論的理解。 （3）進一步熟悉示波器的使用。【實驗儀器實驗儀器】 DH-DPL聲速綜合實驗儀 示波器第1頁/共24頁【實驗原理實驗原理】 聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的機械波。聲速是描述波在媒質(zhì)聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的機械波。聲速是描述波在媒質(zhì)中傳播特性的基本物理量，它與媒質(zhì)的性質(zhì)及狀態(tài)有關(guān)。測定中傳播特性的基本物理量，它與媒質(zhì)的性質(zhì)及狀態(tài)有關(guān)。測定聲速可以了解被測媒質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)及其變化；根據(jù)頻率范圍聲速可以了解被測媒質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)及其變化；根據(jù)頻率范圍的不同，

2、可以把聲波分為可聞聲波、超聲波和次聲波。的不同，可以把聲波分為可聞聲波、超聲波和次聲波。 由于超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點，因此在超由于超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點，因此在超聲波段測聲速是比較方便的。通常利用壓電陶瓷換能器來進聲波段測聲速是比較方便的。通常利用壓電陶瓷換能器來進行超聲波的發(fā)射和接收。行超聲波的發(fā)射和接收。 第2頁/共24頁1、超聲波壓電陶瓷換能器原理超聲波壓電陶瓷換能器原理 超聲波換能器的核心結(jié)構(gòu)是壓電片。壓電片是由一種多晶超聲波換能器的核心結(jié)構(gòu)是壓電片。壓電片是由一種多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷等）做成的。它在應結(jié)構(gòu)的壓電材料（如石英、鋯鈦酸鉛陶瓷

3、等）做成的。它在應力作用下兩極產(chǎn)生異號電荷，兩極間產(chǎn)生電位差（稱正壓電效力作用下兩極產(chǎn)生異號電荷，兩極間產(chǎn)生電位差（稱正壓電效應）；而當壓電材料兩端間加上外加電壓時又能產(chǎn)生應變（稱應）；而當壓電材料兩端間加上外加電壓時又能產(chǎn)生應變（稱逆壓電效應）。利用上述可逆效應可將壓電材料制成壓電換能逆壓電效應）。利用上述可逆效應可將壓電材料制成壓電換能器，以實現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。器，以實現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。 第3頁/共24頁 壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，可分為縱向（振動）壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，可分為縱向（振動）換能器、徑向換能器、徑向(振動振動)換能器及彎曲振動換能器等。圖中為縱向換

4、能器及彎曲振動換能器等。圖中為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。 第4頁/共24頁2、駐波法原理駐波法原理 由聲源發(fā)出的聲波經(jīng)前方平面反射后，入射波和反射波疊由聲源發(fā)出的聲波經(jīng)前方平面反射后，入射波和反射波疊加，當兩平面平行時，在它們之間形成加，當兩平面平行時，在它們之間形成駐波駐波。 （1）繩中的駐波繩中的駐波； （2）空氣內(nèi)的駐波空氣內(nèi)的駐波 設兩列波頻率、振動方向和振幅相同，在設兩列波頻率、振動方向和振幅相同，在x軸上傳播方向軸上傳播方向相反，其波動方程為相反，其波動方程為 xtAyxtAy2cos2cos21反射波發(fā)射波疊加后合成波方程為疊加后合成波方程為 tAxAxtAxtAy

5、yycos2cos22cos2cos21第5頁/共24頁xA2cos212cosx02cosx2nx4) 12(nx兩波合成后介質(zhì)各點都在作同頻率的簡諧振動，各點的振幅兩波合成后介質(zhì)各點都在作同頻率的簡諧振動，各點的振幅的各點振幅最大的各點振幅最大的點靜止不動，振幅最小的點靜止不動，振幅最小處為振幅極大位置處為振幅極大位置處為振幅極小位置處為振幅極小位置第6頁/共24頁2/可見相鄰兩振幅極大可見相鄰兩振幅極大(或振幅極小或振幅極小)間的距離為間的距離為 只要測得相鄰兩振幅極大只要測得相鄰兩振幅極大(或振幅極小或振幅極小)的位置，的位置，就可就可算出波長算出波長、，。第7頁/共24頁1x2x2

6、2、相位比較法原理、相位比較法原理 聲源發(fā)聲后，在其周圍形成聲場。聲場介質(zhì)中任一點的聲源發(fā)聲后，在其周圍形成聲場。聲場介質(zhì)中任一點的振動相位是隨時間而變化的，但它與聲源振動的相位差振動相位是隨時間而變化的，但它與聲源振動的相位差 不隨時間變化。不隨時間變化。設聲源設聲源S1位位于于處，接收器處，接收器S2位于位于1x112cosxtAy2x222cosxtAy聲源聲源 處的振動方程為處的振動方程為 位于位于處接收面的振動方程為處接收面的振動方程為 第8頁/共24頁)(212xx )(12xx 它們是兩個同頻率的正弦波，兩處振動相位差為它們是兩個同頻率的正弦波，兩處振動相位差為 當當改變一個波長

7、時，相位差正好改變一個周期。改變一個波長時，相位差正好改變一個周期。 將發(fā)射換能器將發(fā)射換能器S1的電信號和接收換能器的電信號和接收換能器S2的電信的電信號分別輸入到示波器的兩個通道作垂直疊加，合號分別輸入到示波器的兩個通道作垂直疊加，合成后在示波器熒光屏上就會顯示出利薩如圖形。成后在示波器熒光屏上就會顯示出利薩如圖形。當接收換能器當接收換能器S2移動時，隨超聲波傳播距離的變移動時，隨超聲波傳播距離的變化，兩波之間的相位差發(fā)生改變，化，兩波之間的相位差發(fā)生改變，CH l和和CH 2接接收到的信號疊加而產(chǎn)生的李薩如圖隨相位差的改收到的信號疊加而產(chǎn)生的李薩如圖隨相位差的改變而變化。變而變化。 通過

8、準確測量相位變化一個周期時接收換能通過準確測量相位變化一個周期時接收換能器移動的距離，即可得出對應的波長。器移動的距離，即可得出對應的波長。 第9頁/共24頁（1）按圖接線。發(fā)射換能器按圖接線。發(fā)射換能器S1接實驗儀接實驗儀“發(fā)射器發(fā)射器換能器換能器”端，實驗儀端，實驗儀“發(fā)射器發(fā)射器波形波形”端接至示波器通道端接至示波器通道1（CH 1）；接接收換能器收換能器S2接實驗儀接實驗儀“接收器接收器換能器換能器”端，實驗儀端，實驗儀“接收接收器器波形波形”端接至示波器通道端接至示波器通道2（CH2）?！緦嶒瀮?nèi)容實驗內(nèi)容】 1調(diào)整系統(tǒng)的諧振頻率調(diào)整系統(tǒng)的諧振頻率 第10頁/共24頁 （2）先將）先將

9、S1、S2彼此接近，但不靠攏，在彼此接近，但不靠攏，在實驗室給定的諧振頻率實驗室給定的諧振頻率附近調(diào)整實驗儀輸出附近調(diào)整實驗儀輸出信號頻率使示波器上的信號為最大。緩慢信號頻率使示波器上的信號為最大。緩慢移動移動S2，可在示波器上看到正弦波振幅的變，可在示波器上看到正弦波振幅的變化，移動至首次振幅極大處，固定化，移動至首次振幅極大處，固定S2不動，不動，仔細調(diào)節(jié)輸出信號頻率，再次使示波器上的仔細調(diào)節(jié)輸出信號頻率，再次使示波器上的電壓信號達到極大值。此時信號輸出頻率等電壓信號達到極大值。此時信號輸出頻率等于換能器的諧振頻率，在該頻率上，換能器于換能器的諧振頻率，在該頻率上，換能器發(fā)射較強的超聲波。

10、此后，不再調(diào)節(jié)實驗儀發(fā)射較強的超聲波。此后，不再調(diào)節(jié)實驗儀的輸出信號頻率。的輸出信號頻率。第11頁/共24頁621,lll2共振干涉法測聲速共振干涉法測聲速 繼續(xù)緩慢移動繼續(xù)緩慢移動S2，由近而遠，逐個記下示波器上相，由近而遠，逐個記下示波器上相繼出現(xiàn)繼出現(xiàn)6個極大值時個極大值時S2的位置的位置1l4l2l5l3l6liliilll3l位位 置置（mm）平平 均均 值值32lfv 第12頁/共24頁3相位比較法測聲速相位比較法測聲速 將示波器掃描時間調(diào)至將示波器掃描時間調(diào)至“XY”擋，示波器顯示由擋，示波器顯示由CH l和和CH2的信號合成的利薩如圖形。將的信號合成的利薩如圖形。將S2移至移至

11、S1附近處，附近處，S2和和S1接近而不靠攏。接近而不靠攏。 第13頁/共24頁 再由近而遠，緩慢移動再由近而遠，緩慢移動S2，并同時觀察示波器上利薩如，并同時觀察示波器上利薩如圖形的變化，逐個記下利薩如圖形為直線（斜率為正或斜率圖形的變化，逐個記下利薩如圖形為直線（斜率為正或斜率為負）時，為負）時，S2的位置的位置621,lll 1l4l2l5l3l6liliilll3l位位 置置（mm）平平 均均 值值3lfv 第14頁/共24頁3理想氣體中的聲速理想氣體中的聲速001Ttvvsmv/45.3310KT0015.273 若考慮到空氣中總含有一些水蒸氣，對上式修正，若考慮到空氣中總含有一些水

12、蒸氣，對上式修正，在溫度為在溫度為 t ，相對濕度為，相對濕度為 r 的空氣中的聲速為的空氣中的聲速為 溫度為溫度為 t 時氣體中的聲速時氣體中的聲速 pprTtvvs3192. 01100sp為室溫時空氣的飽和蒸氣壓。為室溫時空氣的飽和蒸氣壓。 aPp510013. 1第15頁/共24頁4. 計算聲速測量值與理論值比較的相對誤差計算聲速測量值與理論值比較的相對誤差 %100|vvvE測第16頁/共24頁【注意事項注意事項】 （1）當駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)時，駐波的形狀不穩(wěn)定，）當駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)時，駐波的形狀不穩(wěn)定，而且聲波波腹的振幅比最大值要小得多。因此，在實驗開而且聲波波腹的振幅比最大

13、值要小得多。因此，在實驗開始時，應仔細調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率，使系統(tǒng)達到最佳的駐始時，應仔細調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率，使系統(tǒng)達到最佳的駐波共振狀態(tài)。波共振狀態(tài)。 （2）聲速測定儀接收端的移動是通過由絲杠、螺母構(gòu)）聲速測定儀接收端的移動是通過由絲杠、螺母構(gòu)成的傳動機構(gòu)實現(xiàn)的，實驗過程中要注意避免空程差，在成的傳動機構(gòu)實現(xiàn)的，實驗過程中要注意避免空程差，在讀數(shù)過程中不退讀。讀數(shù)過程中不退讀。 （3）由于聲波在傳播過程中有能量損失，因而隨著接）由于聲波在傳播過程中有能量損失，因而隨著接收端面收端面S 2 逐漸遠離發(fā)射端面逐漸遠離發(fā)射端面S1時，駐波的振幅也是逐漸時，駐波的振幅也是逐漸衰減的，但并不改變波腹、波節(jié)的位置，因而不影響對波衰減的，但并不改變波腹、波節(jié)的位置，因而不影響對波長的測量。只是注意每次移動接收器時，一定要移到各個長的測量。只是注意每次移動接收器時，一定要移到各個幅度為相對最大處，停止移動后再讀數(shù)。幅度為相對最大處，停止移動后再讀數(shù)。 （4）使用示波器時，亮度不能調(diào)得太大，以免損壞熒使用示波器時，亮度不能調(diào)得太大，以免損壞熒光屏。光屏。 第17頁/共24頁注意游標卡尺的正確使用注意游標卡尺的正確使用第18頁/共24頁 【預習思考題