超聲聲速的測(cè)定

1、超聲聲速的測(cè)定 第1頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心 掌握用駐波法和相位比較法測(cè)量空氣中的聲速 加深對(duì)駐波和振動(dòng)合成理論知識(shí)的理解，了解超聲壓電換能器的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)一步掌握信號(hào)源和示波器的使用，培養(yǎng)綜合使用儀器能力實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求第2頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心一、 共振干涉法（駐波法）S1發(fā)射S2反射干涉而成駐波LLp波腹波節(jié)S2表面聲壓與其位置的關(guān)系實(shí) 驗(yàn) 原 理第3頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心當(dāng)換能器S1與S2的表面

2、平行時(shí)，由換能器S1的震動(dòng)產(chǎn)生的超聲波在S1、S2兩表面之間形成駐波，在接收換能器S2處是振幅的波節(jié)位置（理論推導(dǎo)）、聲壓的波腹位置，即該處位移為零，聲壓最大。當(dāng)S1、S2的間距滿足一定條件時(shí)，出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波現(xiàn)象，此時(shí)接收器S2表面的聲壓振幅最大，改變S1、S2的間距，可以測(cè)量到一系列的聲壓最大的位置，而這些相鄰位置的間距就是超聲波半波長(zhǎng)的大小。利用示波器來觀測(cè)經(jīng)換能器S2產(chǎn)生的電信號(hào)波形，以確定振幅的最大位置。第4頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心結(jié)論：每?jī)蓚€(gè)相臨波腹（波節(jié)）間的距離為/2第5頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6

3、分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心難點(diǎn)：、輸入信號(hào)頻率的影響改變輸入信號(hào)頻率，觀察接收信號(hào)的變化。在某一頻率點(diǎn)處（約3536KHz之間）接收器接收信號(hào)幅度最大，此頻率即是壓電換能器S1、S2相匹配頻率點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)保持此頻率不變。、S1、S2間距的影響隨著S1、S2間距的加大，接受信號(hào)的幅度會(huì)變小，要隨時(shí)調(diào)節(jié)示波器的增益，以得到合適的圖像。第6頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心二、 相位比較法（行波法）S1發(fā)射S2反射干涉而成駐波L 聲源S1發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場(chǎng)，聲場(chǎng)在介質(zhì)中任一點(diǎn)的振動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的。但它和聲源的振動(dòng)相位

4、差j不隨時(shí)間變化。第7頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心S1接X通道,S2接Y通道，移動(dòng)S2,得到如下李薩如圖形：結(jié)論：每次出現(xiàn)重復(fù)圖形S2移動(dòng)的距離為第8頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心實(shí) 驗(yàn) 裝 置信號(hào)源示波器超聲聲速測(cè)量?jī)x第9頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心1、按實(shí)驗(yàn)裝置圖接線，使發(fā)射頭和接收頭的端面盡量平行2、共振頻率，調(diào)整函數(shù)發(fā)生器的輸出頻率，使接收頭輸出的電信號(hào)幅度最大3、共振干涉法測(cè)波長(zhǎng)，記錄示波器上波形相繼出現(xiàn)10

5、個(gè)極大值所對(duì)應(yīng)的接收頭的坐標(biāo)4、相位比較法測(cè)波長(zhǎng)，記錄示波器上圖形相繼出現(xiàn)10個(gè)相同李薩如圖形時(shí)所對(duì)應(yīng)的接收頭的坐標(biāo)實(shí) 驗(yàn) 步 驟第10頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心1.逐差法計(jì)算波長(zhǎng)，得到超聲波傳播速度2.計(jì)算超聲波在空氣中傳播速度的公認(rèn)值，求出兩種測(cè)量方法得到的v的相對(duì)誤差E3.計(jì)算不確定度數(shù)據(jù)記錄與處理第11頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心問題處理：示波器不顯示駐波： 調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，使頻率處于換能器的共振頻率上。駐波圖形太大或太?。?調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出振幅、示波

6、器的增益，以獲得合適的圖形。隨著兩換能器的間距增加，示波器顯示的圖形的會(huì)逐漸變小，可調(diào)節(jié)示波器的增益，以獲得合適的圖形。相位法測(cè)量時(shí)，須采用與駐波法相同的頻率（即不可改變信號(hào)發(fā)生器的頻率）。第12頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心1 逐差法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是什么？2 為什么換能器要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測(cè)量？3 能否雙顯法進(jìn)行測(cè)量？思 考 題第13頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心思考題解答參考1 逐差法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是充分利用測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)有取平均的效果。2 當(dāng)輸入電信號(hào)的頻率為諧振頻率時(shí)，壓電換能器產(chǎn)生機(jī)械諧振，此時(shí)產(chǎn)生的聲波幅度最大；當(dāng)外力的頻率等于諧振頻率時(shí)，壓電換能器產(chǎn)生機(jī)械諧振，此時(shí)得到的電信號(hào)最強(qiáng)。3 能，將兩端信號(hào)都接入示波器，示波器上兩正弦波相鄰兩次相位相同點(diǎn)，接收端移動(dòng)的距離為一個(gè)波長(zhǎng)，從而測(cè)出波速。第14頁，共15頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)6分，星期三華北水利水電學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心補(bǔ)充材料及儀器介紹壓電換能器簡(jiǎn)介 有些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生形變時(shí)，