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1、 实验报告：声速的测量 实验报告 声速的测量 【实验项目】1.用共振干涉法测量空气中的声速 2.用相位比较法测量空气中的声速 3.时差法测量介质中的声速；4.用反射法测量挡板的距离 【实验仪器】声速测量仪、FD-SV-D 超声波测距综合试验仪、示波器 【实验原理】由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行 声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。本实验采用的是压电陶瓷制 成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向
2、换能。声波的传播速度v与其频率和波长的关系为：vf(1)由(1)式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。同样，传播速度亦可用/vL t(2)表示，若测得声波传播所经过的距离 L 和传播时间 t，也可获得声速。1.共振干涉法 实验装置如图 1 所示，图中 S1 和 S2 为压电晶体换能器，S1 作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；S2 为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当 S1 和 S2 的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距 L 为半波长的整倍数，即 L=n/2 n=0
3、，1，2，(3)时，S1 发出的声波与其反射声波的相位在 S1 处差2n(n=1，2)，因此形成共振。因为接收器 S2 的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图 2)。图中各极大之间的距离均为/2 ，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应的接收器 S2 的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。2.相位比较法 波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。沿波传播方向的任何两点同相位时，这
4、两点间的距离就是波长的整数倍。利用这个原理，可以精确的测量波长。实验装置如图 1 所示，沿波的传播方向移动接收器 S2，接收到的信号再次与发射器的位相相同时，一国的距离等于与声波的波长。同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号，它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信号的位相差有关，当两信号之间的位相差为 0 或时，椭圆变成倾斜的直线。位相差和角频率、传播时间 t 之间有如下关系：=t 同时有2t，/tl v，Tv，（式中 T 为周期）代入上式得：2=l 当2nl（n=1，2，3，.）时，可得=n。由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一
5、个波长时，则接收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即=2）。实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。当相位差改变时，相应距离的改变量即为半个波长。根据波长和频率即可求出波速。3.时差法 用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。由信号源提供一个脉冲信号。经 t 时间到达 L 处的接收器，根据关系 v=L/t，即可计算出声速。4.超声测距 用反射法，就要求使用接收器与发射器在同一位置，利用公式：L=vt=vT/2 T 为发射到接收的时间差。FD-SV-D【实验步骤】1.共振干涉法 打开实验仪与示波器 实验仪调整为相位测量模式。信号源：一接口接超声发生器、一接口接示波器的 1
6、 通道（CH1）信号接收放大：输入端接超声接收器、输出端接示波器的 2 通道（CH2）观察 CH2 的信号，按下 POSITION，使得信号置中。界面上显示有频率值，记下该频率值 f。只显示 CH2 的信号，界面上显示有 CH2 的最大电压值。调节游标尺，使得读数归零。将游标尺调节到最近的位置，获得最大的信号电压值，记下此处的位置。继续移动游标尺，每到一个信号电压最大处，记录位置，总共记录 20 个位置。使用逐差法，获得半波长，进而获得声速。2.相位比较法 仍旧使用相位测量模式，游标尺归零 显示 CH1、CH2，按下 DISPLAY，将模式调节为 XY 模式，此时显示李萨如图形。游标尺开始移动
7、。每到一处李萨如图形为一斜线，就记录一次位置。使用逐差法，获得半波长，进而获得声速。3.时差法 切换为时差法测量模式。连续移动接收端游标尺，记录接收端的位置 L，同时记录主机液晶屏上显示的时间 t，取多个数据，进行处理。绘制直线，斜率就是所测声速 v。4.反射法测量挡板距离。将利用磁钢将挡板吸附在移动接收端之前。将游标尺上的接收端的接口拔出，换到发生器一侧的接收接口。进入超声波测距模式，移动挡板，同时记录挡板位置 L 与液晶屏上的显示距离 l，比较两者的数值。【实验数据】频率：f=1.共振干涉法 接收序号 i Li/mm 接收序号 i Li/mm delta Li/mm 平均差值/mm 1 1
8、1 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 18 9 19 10 20 平均波长：1=44.30=8.860 mm5 声速：40.00018.860354.4 m/sv 2.相位比较法 接收序号 i Li/mm 接收序号 i Li/mm delta Li/mm 平均差值/mm 1 11 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 18 9 19 10 20 平均波长：1=43.80=8.760 mm5 声速：40.00018.760350.4 m/sv 3.时差法 斜率 v=mm/s=m/s 4.用反射法超声测距 L/mm l/mm 3 11 11 20 30 40 51 59 58 L/mm l/mm 78 97 105 113 122 133 145 162 172 【注意事项】1.由于超声信号比较强，在实验时注意间隔，避免互相干扰。2.游标卡尺要缓慢平稳操作，不要迅速移动，防止磨损过快 y=0.3504x-47.172R=0.99960204060801001201401601800100200300400500600700L/mmt/s