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1、1.1.了解声波研究的应用，理解压电陶瓷换能器了解声波研究的应用，理解压电陶瓷换能器的工作原理；的工作原理；2.2.学习使用示波器进行信号接受和位相比较；学习使用示波器进行信号接受和位相比较；3.3.掌握使用共振干涉法和位相比较法测量声波掌握使用共振干涉法和位相比较法测量声波波速；波速；4.4.熟练使用不确定度进行数据处理。熟练使用不确定度进行数据处理。实验目的压电陶瓷换能器工作原理 实验所使用的压电陶瓷实验所使用的压电陶瓷换能器，一个是用来产生机换能器，一个是用来产生机械振动并在空气中激发出超械振动并在空气中激发出超声波；另一个用来接收振动，声波；另一个用来接收振动，同时在电输出端产生相应的
2、同时在电输出端产生相应的电信号。压电系统有一谐振电信号。压电系统有一谐振频率，系统工作在谐振频率频率，系统工作在谐振频率时，产生机械谐振，此时得时，产生机械谐振，此时得到的电信号最强。到的电信号最强。实验原理正压电效应：正压电效应：当压电材料受到与极化方向一致的应力T的作用而变形时，其内部就产生极化现象，在它的两个表面上就带有符号相反的电荷，在极化方向上产生一定的电场强度E，且具有线性关系：E=T；当力方向改变时，电荷的极性也随着改变；当外力去掉后，它又重新恢复不带电时的状态。压电式传感器工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。压电式传感器工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。逆压电效应：逆
3、压电效应：当在压电材料的极化方向施加与极化方向一致的外加电压U，这些材料会产生伸缩形变S，且与U有线性关系：S=dU；若施加交变电场，则介质因形变而振动。声速测量的方法 超超声声波波具具有有波波长长短短、能能定定向向传传播播等等特特点点,所所以以实实验验选选择择在在超超声声波波段段进进行行声声速速测测量量。测测量量声声速速最最简简单单、最最有有效效的的方方法法之之一一是是利利用用声声速速v v、振振动动频频率率 f f 和和波波长长 之之间间的基本关系，即的基本关系，即测量波长测量波长有两种方法：有两种方法：）位相比较法）位相比较法）共振干涉法）共振干涉法 本实验在换能器谐振状态下进行声速的测
4、量，振动频率本实验在换能器谐振状态下进行声速的测量，振动频率f f即为所用换能器的谐振频率即为所用换能器的谐振频率实验原理1、压电陶瓷换能器谐振频率的调节 根据示波器显示的波形幅度确定根据示波器显示的波形幅度确定换能器（发射端）激励信号频率。换能器（发射端）激励信号频率。改改变信号发生器的频率时，看到变信号发生器的频率时，看到参数测量：谐振频率：室温：实验内容2、声速测量位相比较法波波是是振振动动状状态态的的传传播播，也也可可以以说说是是位位相相的的传传播播。沿沿传传播播方方向向上上的的任任何何两两点点，其其振振动动状状态态相相同同,即即同同相相(位位相相差差为为0 0或或者者说说其其位位相相
5、差差为为2 2的的整整数数倍倍)，两两点点间间的距离的距离 l 应等于波长应等于波长的整数倍，即的整数倍，即 (n(n为正整数为正整数)利用这个公式可测量波长。利用这个公式可测量波长。注：声波是纵波，图以横波示例，为清楚说明物理量的关系。注：声波是纵波，图以横波示例，为清楚说明物理量的关系。位相比较法测声速装置示意图位相比较法接线图 示波器示波器CH1CH1和和CH2CH2分别接换能器发射端和接收端，示波器的分别接换能器发射端和接收端，示波器的“扫描信号周期扫描信号周期”选择选择“X-YX-Y”档，当改变换能器之间的距离时档，当改变换能器之间的距离时位相比较法信号输出两个同斜率直线所对应的换能
6、器间距为一个波长两个同斜率直线所对应的换能器间距为一个波长 。位相比较法数据处理（1）记录半波长数据李萨如图形接收头位置101112卡尺读数（cm）接收头位置接收头位置(cm)（cm）（cm）（cm）（）使用逐差法处理波长数据（3）使用不确定度概念处理数据使用不确定度概念进行使用不确定度概念进行“直接测量量直接测量量”数据处理的提示：数据处理的提示：测量量N的A类分量：测量量N的B类分量：取其仪器误差限，考虑为均匀分布 测量量N的合成不确定度：使用不确定度概念进行使用不确定度概念进行“间接测量量间接测量量”数据处理的提示：数据处理的提示：测量量的计算：测量量的不确定度传递：（4）计算理论值，并
7、与实验值相比较3、声速测量共振干涉法 共振干涉法也称驻波法。发射器发出的声波近似于共振干涉法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射平面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射,并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处于波腹，此时产生的电信号最强。声压是处于波腹，此时产生的电信号最强。返返共振干涉法接线图共振干涉法测声速装置示意图 将压电陶瓷换能器的接收端接入示波器的将压电陶瓷换能器的接收端接入示波器的CH1CH1CH2CH2通道，通道，当改变换能器之间的距离时当改变换能器之间的距离时共振干涉法信号输出共振干涉法数据处理参照位相比较法自拟参照位相比较法自拟 谢 谢物理教学实验中心