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1、超声波声速的测定南京工程学院南京工程学院 2009年年6月月一、实验目的1、测量超声波在空气中的传播速度；2、加深对波的相位、波的干涉及振动合成等理论的理解，学习用示波器观察信号间的相位差；3、掌握用逐差法处理数据的能力；4、培养综合应用仪器设备的能力。二、实验原理声速测量的常用方法有两类：第一类是根据声波的传播速度 与其频率 和波长 之间的关系 ，先测出频率 和波长 ，再计算声速 。常用方法有相位比较法和驻波法（共振干涉法）；第二类是测量声波传播距离 和时间间隔 ，然后根据公式 计算声速 。常用的方法有时差法。1.相位比较法相位比较法测声速连线图如图所示从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之
2、间的相位差为 S1与S2之间变化一个波长，相位差变化2，示波器上所观察到的李萨如图随之变化一个周期，测出波长，从而可以计算出波速。图 形相位差2.驻波法（驻波共振法）驻波法测声速示意图：沿x方向的入射波和反射波相遇干涉时，在空间某点的合振动方程为:y=y1+y2=(2Acos2x/)cos2ft，波腹处振幅最大，波节处振幅为零，由纵波的性质可以知道，当接收换能器端面位于振动的波节时，正好声压值最大。移动S2，可看到示波器上显示的声压值不断地由最大变到最小再变到最大，呈周期性变化。二相邻的振幅最大点之间移动过的距离亦为两相邻波节的距离，即 3.时差法 时差法测声速连线图如图所示：时差法是将脉冲调
3、制信号加到发射器上，声波在介质中传播，经过时间后，到达距离处的接收换能器，可以用以下公式求出声波在介质中的传播速度 三、实验仪器超声声速测定仪、超声声速测定仪、SV5声速测量专用信号源、声速测量专用信号源、YB4328示波器等示波器等 超声声速测定仪超声声速测定仪 声速测定仪是由压电换能系统声速测定仪是由压电换能系统S1、S2、游标卡尺、游标卡尺、固定支架等部件组成，仪器装置如图固定支架等部件组成，仪器装置如图3.1.9所示。所示。S1、S2是两个压电陶瓷超声换能器，是两个压电陶瓷超声换能器，S1为发射换能器，为发射换能器，它通过逆压电效应把电信号转换成以电信号频率的它通过逆压电效应把电信号转
4、换成以电信号频率的机械振动，从而推动空气分子振动产生平面声波；机械振动，从而推动空气分子振动产生平面声波；S2为接收换能器，它通过正压电效应把声信号转换为接收换能器，它通过正压电效应把声信号转换为电信号以接收声波，其端面也是声波的反射界面，为电信号以接收声波，其端面也是声波的反射界面，它们的结构完全相同，有共同的谐振频率，只有当它们的结构完全相同，有共同的谐振频率，只有当外界输入信号的频率等于其谐振频率时，才能产生外界输入信号的频率等于其谐振频率时，才能产生最佳的机械振动。最佳的机械振动。压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器内部结构内部结构压电陶瓷片电输入或输出端铝外壳四、实验内容与步骤1.相位比较法
5、 (1)调整信号源的输出频率使发射换能器处于谐振状态，调整发射换能器的发射面与接收换能器的接收面保持平行。方法同驻波法。(2)按图连接线路。(3)沿着相同方向转动距离调节鼓轮，改变发射面与接收面之间的距离，观察示波器荧光屏上李萨如图形的变化，依次读取示波器上显示相位差图样时接收面的位置（表4-23）。(4)记下室温，并用逐差法对实验数据进行处理，计算不确定度。2.驻波法测定声速(1)按图接好电路(2)调整发射换能器的发射面与接收换能器的接收面保持平行。(3)调整超声信号源的输出信号频率，观察示波器y轴信号的振幅，使振幅达到最大。此时表示发射换能器处于谐振状态。(4)沿着同方向转动距离调节鼓轮，
6、使发射面和接收面之间的距离逐渐增加，可观察到示波器中y轴振幅的大小会有周期性变化，依次记录示波器电压值幅值最大时，接受器S2的位置即为驻波的波节位置。(5)记下连续10次出现幅度最大时接受器S2的位置，用逐差法处理数据，计算不确定度。3.时差法（选做）（1）将测试方法设置到脉冲波方式。（2）将S1和S2之间的距离调到 。（3）再调节接收增益，使示波器上显示的接收波信号幅度在300400mV左右（峰峰值），以使计时器工作在最佳状态，然后记录此时S2的读数。（4）沿着相同方向转动距离调节鼓轮，改变发射面与接收面之间的距离，同时调节接收增益使接收波信号幅度始终保持一致。每隔10s左右记录下S2的读数。（5）记下室温，并用逐差法对实验数据进行处理。五、注意事项1.确保换能器S1和S2端面的平行。2测量时必须沿同一方向轻而缓慢地转动位置调节鼓轮以避免空程误差，会读取鼓轮读数。3注意保护仪器，鼓轮要缓慢摇动，不能用力过猛，不要挤压换能器。六、思考题1.测量声速时，为什么要调整低频信号发生器的输出频率，使发射换能器处于谐振状态?2.讨论本实验误差产生的主要原因。