大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告聲速的測量

聲速的丈量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹繉W(xué)會用共振干預(yù)法、相位比較法以實(shí)時差法丈量介質(zhì)中的聲速學(xué)會用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)辦理；認(rèn)識聲速與介質(zhì)參數(shù)的關(guān)系。【實(shí)驗(yàn)原理】因?yàn)槌暡〒碛胁ㄩL短，易于定向發(fā)射、易被反射等長處。在超聲波段進(jìn)行聲速丈量的長處還在于超聲波的波長短，能夠在短距離較精準(zhǔn)的測出聲速。超聲波的發(fā)射和接收一般經(jīng)過電磁振動與機(jī)械振動的相互變換來實(shí)現(xiàn)，最常有的方法是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)采納的是壓電陶瓷制成的換能器(探頭)，這類壓電陶瓷能夠在機(jī)械振動與溝通電壓之間雙向換能。聲波的流傳速度與其頻次和波長的關(guān)系為：

v

f

(1)

由(1)

式可知，測得聲波的頻次和波長，就能夠獲取聲速。相同，流傳速度亦可用

vL/t

(2)表示，若測得聲波流傳所經(jīng)過的距離L和流傳時間t，也可獲取聲速。1.共振干預(yù)法實(shí)驗(yàn)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)生器輸出的溝通電信號激勵后，因?yàn)槟鎵弘娦?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)和的表面近似平行時，聲波就在兩個平面間往返反射，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

)，所以形成共振。因?yàn)榻邮掌鞯谋砻嬲駝游灰颇軌蚝鲆?，所以對位移來說是波節(jié)，對聲壓來說是波腹。本實(shí)驗(yàn)丈量的是聲壓，所以當(dāng)形成共振時，接收器的輸出會出現(xiàn)顯然增大。從示波器上察看到的電信號幅值也是極大值(拜見圖2)。圖中各極大之間的距離均為，因?yàn)樯⑸浜推溆嘞模骷壌蟾欧惦S距離增大而漸漸減小。我們只需測出各極大值對應(yīng)的接收器的地點(diǎn)，便可測出波長。由信號源讀出超聲波的頻次值后，即可由公式(1)求得聲速。相位比較法波是振動狀態(tài)的流傳，也能夠說是位相的流傳。沿波流傳方向的任何兩點(diǎn)同相位時，這兩點(diǎn)間的距離就是波長的整數(shù)倍。利用這個原理，能夠精準(zhǔn)的丈量波長。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，沿波的流傳方向挪動接收器，接收到的信號再次與發(fā)射器的位相相同時，一國的距離等于與聲波的波長。相同也能夠利用李薩如圖形來判斷位相差。實(shí)驗(yàn)中輸入示波器的是來自同一信號源的信號，它們的頻次嚴(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相關(guān)，當(dāng)兩信號之間的位相差為0或時，橢圓變?yōu)閮A斜的直線。時差法用時差法丈量聲速的實(shí)驗(yàn)裝置仍采納上述儀器。由信號源供給一個脈沖信號經(jīng)發(fā)出一個脈沖波，經(jīng)過一段距離的流傳后，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)部線路剖析、比較辦理后輸出脈沖信號在、之間的流傳時間t，流傳距離L能夠從游標(biāo)卡尺上讀出，采納公式(2)即可計(jì)算出聲速。逐差法辦理數(shù)據(jù)在本實(shí)驗(yàn)中，若用游標(biāo)卡尺測出個極大值的地點(diǎn)，并挨次算出每經(jīng)過個的距離為這樣就很簡單計(jì)算出。如測不到20個極大值，則可少測幾個(必定是偶數(shù))，用近似方法計(jì)算即可?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算】實(shí)驗(yàn)時室溫為16℃，空氣中聲速的理論值為1．共振干預(yù)法頻次使用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)辦理，辦理過程由C++程序達(dá)成，程序以下#include<iostream>#include<cstdio>usingnamespacestd;constintn=10;constdoublef=;constdoubleL[2*n]={,,,,,,,,,,,,,,,,,,,};doubleLMD=0;intmain(){編號:12345678910L(mm)編號:11121314151617181920L(mm)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(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果為：v=m/s;2．相位比較法頻次使用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)辦理，辦理過程由C++程序達(dá)成，程序以下#include<iostream>#include<cstdio>編號12345678usingnamespacestd;constintn=5;constdoublef=;constdoubleL[2*n]={,,,,,,,,};doubleLMD=0;intmain()編號:12345678910L(mm){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(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果為：v=m/s3．時差法丈量空氣中聲速T/μs400413428442458472487501L/mm計(jì)算機(jī)作圖以下：編號12345678T/μs9497101104107111114117L/mm因?yàn)榈诙M數(shù)據(jù)，存在較大偏差，所以將其去掉。計(jì)算機(jī)計(jì)算得v=m/s4．時差法丈量液體中聲速計(jì)算機(jī)作圖以下：計(jì)算機(jī)計(jì)算得v=m/s【剖析議論】對于偏差其實(shí)做這個實(shí)驗(yàn)需要極其精美的操作。為了獲取更精準(zhǔn)的結(jié)果，不單要每個人時刻集中精力察看儀器，操作儀器，并且需要兩個人的默契配合。自然，仍是有一些最基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，靠近讀數(shù)點(diǎn)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)理到適合的大小地點(diǎn)，以便察看和減小偏差。察看李薩如圖像時應(yīng)選用水平或垂直線段中的一者為標(biāo)準(zhǔn)，不然沒法判斷挪動的是波長仍是半波長。此時應(yīng)將圖像盡量放大，因?yàn)椴炜粗睾蠒r圖像較小會致使偏差很大。自然最后測得的結(jié)果仍是有必定的偏差，但偏差已經(jīng)很小了。察看測得得空氣中聲速發(fā)現(xiàn)幾種丈量方法的丈量結(jié)果都偏大，一個重要的原由就是空氣中含有水蒸汽及其余雜質(zhì)，聲音在這些物質(zhì)中的流傳速度都要比在空氣中的流傳速度大，所以最后的丈量結(jié)果都偏大。而使用相位法測得的結(jié)果與真切值最靠近，因?yàn)檫@個方法察看圖像時，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簡單的，所以偏差會較小?！舅紤]題】1、為何換能器要在諧振頻次條件下進(jìn)行聲速測定？答：因?yàn)樵谥C振頻次下，反射面之間的聲壓達(dá)極大值。這樣從示波器上察看到的電壓信號幅值為最大，進(jìn)而更利于察看。2、要讓聲波在兩個換能器之間產(chǎn)生共振一定知足那些條件？答：1、兩個換能器的發(fā)射面與接受面相互平行。、兩個換能器間的距離為半波長的整數(shù)倍。3、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征？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，易被反射等特征。4、在時差法丈量中，為何共振或接受增益過大會影響聲速儀對接受點(diǎn)的判斷？答：因?yàn)楫?dāng)共振或接受增益過大時，接受器將提早接收到信號，這樣測得的時間將偏小，致使最后計(jì)算出的聲速偏大。【個人