大學(xué)物理實驗報告-聲速的測量

-.z.實驗報告聲速的測量【實驗?zāi)康摹?.學(xué)會用共振干預(yù)法、相位比擬法以及時差法測量介質(zhì)中的聲速2.學(xué)會用逐差法進(jìn)展數(shù)據(jù)處理；3.了解聲速與介質(zhì)參數(shù)的關(guān)系?！緦嶒炘怼坑捎诔暡ň哂胁ㄩL短，易于定向發(fā)射、易被反射等優(yōu)點。在超聲波段進(jìn)展聲速測量的優(yōu)點還在于超聲波的波長短，可以在短距離較準(zhǔn)確的測出聲速。超聲波的發(fā)射和接收一般通過電磁振動與機(jī)械振動的相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，最常見的方法是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)的。本實驗采用的是壓電陶瓷制成的換能器(探頭)，這種壓電陶瓷可以在機(jī)械振動與交流電壓之間雙向換能。聲波的傳播速度與其頻率和波長的關(guān)系為：(1)由(1)式可知，測得聲波的頻率和波長，就可以得到聲速。同樣，傳播速度亦可用(2)表示，假設(shè)測得聲波傳播所經(jīng)過的距離L和傳播時間t，也可獲得聲速。共振干預(yù)法實驗裝置如圖1所示，圖中和為壓電晶體換能器，作為聲波源，它被低頻信號發(fā)生器輸出的交流電信號鼓勵后，由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生受迫振動，并向空氣中定向發(fā)出以近似的平面聲波；為超聲波接收器，聲波傳至它的接收面上時，再被反射。當(dāng)和的外表近似平行時，聲波就在兩個平面間來回反射，當(dāng)兩個平面間距L為半波長的整倍數(shù)，即(3)時，發(fā)出的聲波與其反射聲波的相位在處差(n=1，2……)，因此形成共振。因為接收器的外表振動位移可以忽略，所以對位移來說是波節(jié)，對聲壓來說是波腹。本實驗測量的是聲壓，所以當(dāng)形成共振時，接收器的輸出會出現(xiàn)明顯增大。從示波器上觀察到的電信號幅值也是極大值(參見圖2)。圖中各極大之間的距離均為，由于散射和其他損耗，各級大致幅值隨距離增大而逐漸減小。我們只要測出各極大值對應(yīng)的接收器的位置，就可測出波長。由信號源讀出超聲波的頻率值后，即可由公式(1)求得聲速。相位比擬法波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。沿波傳播方向的任何兩點同相位時，這兩點間的距離就是波長的整數(shù)倍。利用這個原理，可以準(zhǔn)確的測量波長。實驗裝置如圖1所示，沿波的傳播方向移動接收器，接收到的信號再次與發(fā)射器的位相一樣時，一國的距離等于與聲波的波長。同樣也可以利用李薩如圖形來判斷位相差。實驗中輸入示波器的是來自同一信號源的信號，它們的頻率嚴(yán)格一致，所以李薩如圖是橢圓，橢圓的傾斜與兩信號的位相差有關(guān)，當(dāng)兩信號之間的位相差為0或時，橢圓變成傾斜的直線。時差法用時差法測量聲速的實驗裝置仍采用上述儀器。由信號源提供一個脈沖信號經(jīng)發(fā)出一個脈沖波，經(jīng)過一段距離的傳播后，該脈沖信號被接收，再將該信號返回信號源，經(jīng)信號源內(nèi)部線路分析、比擬處理后輸出脈沖信號在、之間的傳播時間t，傳播距離L可以從游標(biāo)卡尺上讀出，采用公式(2)即可計算出聲速。逐差法處理數(shù)據(jù)在本實驗中，假設(shè)用游標(biāo)卡尺測出個極大值的位置，并依次算出每經(jīng)過個的距離為這樣就很容易計算出。如測不到20個極大值，則可少測幾個(一定是偶數(shù))，用類似方法計算即可。【實驗數(shù)據(jù)記錄、實驗結(jié)果計算】實驗時室溫為16℃，空氣中聲速的理論值為1．共振干預(yù)法頻率編號:12345678910L(mm)50.0052.5854.4157.4659.6362.4064.4667.3770.6072.16編號:11121314151617181920L(mm)74.0177.0079.0181.8483.8086.9288.7891.6693.3196.49使用逐差法進(jìn)展數(shù)據(jù)處理，處理過程由C++程序完成，程序如下#include<iostream>#include<cstdio>usingnamespacestd;constintn=10;constdoublef=35.617;constdoubleL[2*n]={50.00,52.58,54.41,57.46,59.63,62.40,64.46,67.37,70.60,72.16,74.01,77.00,79.01,81.84,83.80,86.92,88.78,91.66,93.31,96.49};doubleLMD=0;intmain(){for(inti=0;i<n;i++)LMD+=(L[n+i]-L[i])*2/n/n;printf("v=%.3lf\n",LMD*f*2);system("pause");return0;}此程序運行結(jié)果為：v=344.461m/s;2．相位比擬法頻率編號:12345678910L(mm)54.8264.4174.0283.7493.40103.06112.90122.36131.86141.09使用逐差法進(jìn)展數(shù)據(jù)處理，處理過程由C++程序完成，程序如下#include<iostream>#include<cstdio>usingnamespacestd;constintn=5;constdoublef=35.618;constdoubleL[2*n]={54.82,64.41,74.02,83.74,93.40,103.06,112.90,122.36,131.86,141.09};doubleLMD=0;intmain(){ for(inti=0;i<n;i++)LMD+=(L[n+i]-L[i])/n/n;printf("v=%.3lf\n",LMD*f);system("pause");return0;}此程序運行結(jié)果為：v=343.187m/s3．時差法測量空氣中聲速編號12345678T/μs400413428442458472487501L/mm計算機(jī)作圖如下：由于第二組數(shù)據(jù)，存在較大誤差，因此將其去掉。計算機(jī)計算得v=344.41m/s編號12345678T/μs9497101104107111114117L/mm4．時差法測量液體中聲速計算機(jī)作圖如下：計算機(jī)計算得v=1449.43m/s【分析討論】1關(guān)于誤差其實做這個實驗需要極其精細(xì)的操作。為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，不僅要每個人時刻集中精力觀察儀器，操作儀器，而且需要兩個人的默契配合。當(dāng)然，還是有一些最根本的需要注意的地方，如操作距離旋鈕時，旋轉(zhuǎn)最好不要太快，接近讀數(shù)點時要放慢速度，最好不要逆向旋轉(zhuǎn)旋鈕；示波器的圖像最好調(diào)節(jié)到適宜的大小位置，以便觀察和減小誤差。觀察李薩如圖像時應(yīng)選取水平或垂直線段中的一者為標(biāo)準(zhǔn)，否則無法判斷移動的是波長還是半波長。此時應(yīng)將圖像盡量放大，因為觀察重合時圖像較小會導(dǎo)致誤差很大。當(dāng)然最終測得的結(jié)果還是有一定的誤差，但誤差已經(jīng)很小了。觀察測得得空氣中聲速發(fā)現(xiàn)幾種測量方法的測量結(jié)果都偏大，一個重要的原因就是空氣中含有水蒸汽及其它雜質(zhì)，聲音在這些物質(zhì)中的傳播速度都要比在空氣中的傳播速度大，所以最后的測量結(jié)果都偏大。而使用相位法測得的結(jié)果與真實值最接近，因為這個方法觀察圖像時，是在圖像變化到重合時讀數(shù)，判斷圖像重合成直線是相對容易的，所以誤差會較小。【思考題】為什么換能器要在諧振頻率條件下進(jìn)展聲速測定？答：因為在諧振頻率下，反射面之間的聲壓達(dá)極大值。這樣從示波器上觀察到的電壓信號幅值為最大，從而更利于觀察。要讓聲波在兩個換能器之間產(chǎn)生共振必須滿足那些條件？答：1、兩個換能器的發(fā)射面與承受面互相平行。 2、兩個換能器間的距離為半波長的整數(shù)倍。試舉出三個超聲波應(yīng)用的例子，他們都是利用了超聲波的那些特性？答：比方超聲波定位系統(tǒng)，超聲波探測，超聲波洗牙。他們利用了超聲波的波長短，易于定向發(fā)射，易被反射等特性。在時差法測量中，為何共振或承受增益過大會影響聲速儀對承受點的判斷？答：因為當(dāng)共振或承受增益過大時，承受器將提前接收到