2024年大學物理實驗聲速測量實驗報告

聲速測量試驗項目名稱：聲速測量試驗目的1.學會測量超聲波在空氣中的傳播速度的措施2.理解駐波和振動合成理論3.學會逐差法進行數據處理4.理解壓電換能器的功能和培養(yǎng)綜合使用儀器的能力試驗原理聲波的傳播速度與聲波頻率和波長的關系為：可見，只要測出聲波的頻率和波長，即可求出聲速。可由聲源的振動頻率得到，因此，試驗的關鍵就是怎樣測定聲波波長。根據超聲波的特點，試驗中可以采用幾種不一樣的措施測出超聲波的波長：1.駐波法（共振干涉法）如右圖所示，試驗時將信號發(fā)生器輸出的正弦電壓信號接到發(fā)射超聲換能器上，超聲發(fā)射換能器通過電聲轉換，將電壓信號變?yōu)槌暡?，以超聲波形式發(fā)射出去。接受換能器通過聲電轉換，將聲波信號變?yōu)殡妷盒盘栣?，送入示波器觀測。由聲波傳播理論可知，從發(fā)射換能器發(fā)出一定頻率的平面聲波，通過空氣傳播，抵達接受換能器。假如接受面和發(fā)射面嚴格平行，即入射波在接受面上垂直反射，入射波與反射波互相干涉形成駐波。此時，兩換能器之間的距離恰好等于其聲波半波長的整數倍。在聲駐波中，波腹處聲壓（空氣中由于聲擾動而引起的超過靜態(tài)大氣壓強的那部分壓強）最小，而波節(jié)處聲壓最大。當接受換能器的反射界面處為波節(jié)時，聲壓效應最大，經接受器轉換成電信號後從示波器上觀測到的電壓信號幅值也是極大值，因此可從接受換能器端面聲壓的變化來判斷超聲波駐波與否形成。移動卡尺游標，變化兩只換能器端面的距離，在一系列特定的距離上，媒質中將出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象，此時，兩換能器間的距離等于半波長的整數倍，只要我們監(jiān)測接受換能器輸出電壓幅度的變化，記錄下相鄰兩次出現(xiàn)最大電壓數值時（即接受器位于波節(jié)處）卡尺的讀數（兩讀數之差的絕對值等于半波長），則根據公式：就可算出超聲波在空氣中的傳播速度，其中超聲波的頻率可由信號發(fā)生器直接讀得。2.相位比較法試驗接線如下圖所示。波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。在聲波傳播方向上，所有質點的振動位相逐一落後，各點的振動位相又隨時間變化。聲波波源和接受點存在著位相差，而這位相差則可以通過比較接受換能器輸出的電信號與發(fā)射換能器輸入的正弦交變電壓信號的位有關系中得出，并可運用示波器的李薩如圖形來觀測。位相差和角頻率、傳播時間t之間有如下關系：同步有，，，（式中T為周期）代入上式得：當（n=1，2，3，...）時，可得。由上式可知：當接受點和波源的距離變化等于一種波長時，則接受點和波源的位相差也恰好變化一種周期（即Ф=2π）。試驗時，通過變化發(fā)射器與接受器之間的距離，觀測到相位的變化。當相位差變化π時，對應距離的變化量即為半個波長。根據波長和頻率即可求出波速。試驗儀器聲速測量儀、示波器、信號源試驗內容及環(huán)節(jié)1、測量聲速測定儀的共振頻率：不停變化信號源所產生的頻率，觀測波形2峰值的變化。通過旋轉鼓輪觀測波形2的峰值，當旋轉鼓輪前進或倒退，2波形的最大峰值均減小，則此時為共振頻率。2、用駐波法（共振法）測聲速：示波器采用YT模式，記錄節(jié)點的位置，節(jié)點處振幅為零即聲壓最大，對應的振幅最大，通過旋轉鼓輪觀測波形2的峰值，當旋轉鼓輪前進或倒退，2波形的最大峰值均減小，則此目的為節(jié)點位置，記錄此時的刻度，記為第一種節(jié)點，用同樣的措施尋找下一種節(jié)點，直到第10個。3、用相位比較法（李薩如圖形法）測聲速：示波器轉換成XY模式，通過旋轉鼓輪找直線圖形，記錄此時的刻度，依次記錄10個相似形狀的直線的位置。數據記錄及處理（一定要有數據計算的詳細環(huán)節(jié)，要進行不確定度的計算）1、駐波法f＝37.3969KHz用駐波法用駐波法eq\o\ac(○,1)測得V=347.3035（m·s-1）eq\o\ac(○,2)不確定度體現(xiàn)成果V=（347.3035±0.0093）m·s-1eq\o\ac(○,3)相對誤差為1.1367％相位法f＝37.3969KHz用駐波法用駐波法eq\o\ac(○,1)測得V=347.（m·s-1）eq\o\ac(○,2)不確定度體現(xiàn)成果V=（347.±0.0109）m·s-1eq\o\ac(○,3)相對誤差為1.1067％七、試驗成果分析與小結誤差分析通過計算發(fā)現(xiàn)，兩種措施聲速測量值都比理論值偏大。我認為有如下幾種原因：1、測量誤差，讀數時不夠精確，觀測波形峰值時存在誤差。2、旋轉鼓輪時速度過快，且有部分數據存在螺距差。3、儀器自身存在的誤差。4、觀測李薩如圖像時圖像較小，觀測重疊時導致誤差很大。

5、空氣中具有水蒸汽及其他雜質，聲音在這些物質中的傳播速度都要比在空氣中的傳播速度大。試驗感想通過這次試驗，我學習了聲速測量的有關原理。當然，在其中也碰到了諸多問題。例如在操作過程中示波器在的2波形超過了屏幕，通過調整位置和格數按鈕使其所有顯示在屏幕上。在讀數時也想起了螺旋測微計讀數措施，他比游標卡尺更精確。理解了壓電換能器的工作原理，換能器要在諧振頻率條件下進行聲速測定，由于在諧振頻率下，反射面之間的聲壓達極大值。這樣從示波器上觀測到的電壓信號幅值為最大，從而更利于觀測。在試驗過程中必須有耐心，例如用駐波法確定節(jié)點位置時必須慢慢來，不能調整太快。要消除螺距差就要注意單方向旋轉。對于駐波法和相位比較法也有了一種大概的理解和比較。聲速測量中的駐波法是觀測聲波與其反射波所形成的駐波。由于，變化半個波長的傳播旅程,駐波的波幅會變化一種周期。相位法是比較接受波與發(fā)射波的相位差，在示波器上形成李薩如圖。但我認為兩種措施都是用同樣儀器完畢，因此從本質上來說沒有區(qū)別。對于科學原理和現(xiàn)象，我們也應當從不一樣的角度去驗證他的對的性