Transcript 超声声速的测量
大学物理实验 超声声速的测定 华北水利水电学院 大学物理实验中心 ﹡实验目的与要求 1. 掌握用驻波法和相位比较法测量空气中的声速 2. 加深对驻波和振动合成理论知识的理解，了解 超声压电换能器的结构和原理 3. 进一步掌握信号源和示波器的使用，培养综合 使用仪器能力 华北水利水电学院 大学物理实验中心 ﹡实 验 原 理 一、 共振干涉法（驻波法） p 波腹 L 干涉而成驻波 S1发射 波 节 S2反射 2 3 2 2 L S2表面声压与其位置的关系 华北水利水电学院 大学物理实验中心 当换能器S1与S2的表面平行时，由换能器S1的震动产生的 超声波在S1、S2两表面之间形成驻波，在接收换能器S2处 是振幅的波节位置（理论推导）、声压的波腹位置，即该 处位移为零，声压最大。当S1、S2的间距满足一定条件时， 出现稳定的驻波现象，此时接收器S2表面的声压振幅最大， 改变S1、S2的间距，可以测量到一系列的声压最大的位置， 而这些相邻位置的间距就是超声波半波长的大小。 利用示波器来观测经换能器S2产生的电信号波形，以确定 振幅的最大位置。 华北水利水电学院 大学物理实验中心 波节处的驻波 波腹处的驻波 80 60 60 40 40 20 20 0 0 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -40 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -40 -60 -60 -80 干涉 发射 反射 干涉 发射 反射 结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为λ/2 华北水利水电学院 大学物理实验中心 1 难点： １、输入信号频率的影响 改变输入信号频率，观察接收信号的变化。 在某一频率点处（约35~36KHz之间）接收器接 收信号幅度最大，此频率即是压电换能器S1、 S2相匹配频率点。实验时保持此频率不变。 ２、S1、S2间距的影响 随着S1、S2间距的加大，接受信号的幅 度会变小，要随时调节示波器的增益，以 得到合适的图像。 华北水利水电学院 大学物理实验中心 二、 相位比较法（行波法） L 干涉而成驻波 S1发射 S2反射 声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场 在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但 它和声源的振动相位差Δj不随时间变化。 j 2 L 华北水利水电学院 大学物理实验中心 S1接X通道,S2接Y通道，移动S2,得到如下李萨如图形： j 0 j 2 j 3 j 2 结论：每次出现重复图形S2移动的距离为λ 华北水利水电学院 大学物理实验中心 j 2 ﹡实 验 装 置 信号源 示波器 华北水利水电学院 超声声速测量仪 大学物理实验中心 ﹡实 验 步 骤 1、按实验装置图接线，使发射头和接收头的端面尽量平行 2、共振频率，调整函数发生器的输出频率，使接收头输出 的电信号幅度最大 3、共振干涉法测波长，记录示波器上波形相继出现10个极 大值所对应的接收头的坐标 4、相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现10个相 同李萨如图形时所对应的接收头的坐标 华北水利水电学院 大学物理实验中心 ﹡数据记录与处理 1.逐差法计算波长 ，得到超声波传播速度 v f 共 位 L 1 l 2 25 25 10 L5 L9 L4 L6 L1 10 l5 l9 l4 l6 l1 2.计算超声波在空气中传播速度的公认值v公认 ，求出两种测 量方法得到的v的相对误差E v公认 331.30 T / T0 E 3.计算不确定度 v测量 v公认 v测量 U U A U B , 其中, U B 仪 / 3 0.01mm / 3 , U A 2 2 U f U B f 仪 / 3 5Hz / 3 Uu u 华北水利水电学院 u 2 100% /55 1 5 i 1 2 i uf 2 f 大学物理实验中心 ﹡问题处理： 示波器不显示驻波： 调节信号发生器的输出频率，使频率处于换能器的共 振频率上。 驻波图形太大或太小： 调节信号发生器的输出振幅、示波器的增益，以获得 合适的图形。 随着两换能器的间距增加，示波器显示的图形的会逐渐 变小，可调节示波器的增益，以获得合适的图形。 相位法测量时，须采用与驻波法相同的频率（即不可改 变信号发生器的频率）。 华北水利水电学院 大学物理实验中心 ﹡思 考 题 1 逐差法处理数据的优点是什么？ 2 为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测量？ 3 能否双显法进行测量？ 华北水利水电学院 大学物理实验中心 ﹡思考题解答参考 1 逐差法处理数据的优点是充分利用测量数据，并对 数据有取平均的效果。 2 当输入电信号的频率为谐振频率时，压电换能器产 生机械谐振，此时产生的声波幅度最大；当外力的频率 等于谐振频率时，压电换能器产生机械谐振，此时得到 的电信号最强。 3 能，将两端信号都接入示波器，示波器上两正弦波 相邻两次相位相同点，接收端移动的距离为一个波长， 从而测出波速。 华北水利水电学院 大学物理实验中心 ﹡补充材料及仪器介绍 压电换能器简介 有些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发 生形变时，其表面会产生电荷，去掉外力时又回到 不带电状态，这种现象叫做压电效应；具有该效应 的物质为压电材料；利用压电材料的压电效应制成 的换能器叫做压电换能器。 华北水利水电学院 大学物理实验中心