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声速测量实验报告
实验目的
学会测量超声波在空气中的传播速度的方法.
理解驻波和振动合成理论.
学会逐差法进行数据处理.
了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力.
实验仪器
信号发生器、双踪示波器、声速测定仪
实验原理
声速v、声波频率f和波长之间的关系为
v=f
只要测得声波的频率f和波长,就可求得声速v。在本实验中,声波频率f为信号发生器产生超声波的频率,直接由信号发生器显示,只要测出声波波长,即可确定声速,测量波长常用方法有驻波法和相位法。
驻波法测波长
实验装置如图,接收器和超声波发射器均为压电陶瓷换能器。由信号发生器输出的正弦交变电压信号接到发射器上,转换成超声波,接收器接收入射的超声波,将其转换为正弦电压信号,信号输入示波器进行显示观察。
驻波法测波长实验装置图
S2发出的超声波和S1反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时,此驻波的振幅才达到最大值,此时的频率为共振频率。驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关,还取决于边界条件,在声速实验中,S1、S2 即为两边界,且必定是波节,其间可以有任意个波节,所以驻波的共振条件为:
···(1)
即当 S1 和 S2 之间的距离 L 等于声波半波长的整数倍时,驻波系统处于共振状态,驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当 L 不满足(1)式时,驻波系统偏离共振状态,驻波振幅随之减小。移动 S1 ,可以连续地改变 L 的大小。由式(1)可知,任意两个相邻共振状态之间,即 S1 所移过的距离为:
(2)
可见,示波器上信号幅度每一次周期性变化,相当于 L 改变了。此距离可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得,频率可由低频信号发生器上的频率计读得,根据,就可求出声速。
相位法测波长
将信号发生器输给发射换能器S2的电信号输入到示波器的X通道,同时将接收换能器S1转换的电信号输入到示波器的Y通道。利用示波器让这两个信号(频率是相同的)作垂直叠加,在示波器荧光屏上会出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李萨如图形。
相位差不同的李萨茹图
当接受换能器 S1 移动时,超声波传播距离发生变化,发射信号与接受信号之间的相位差也随之发生变化,示波器中的李萨如图形随相位差的变化而变化。当接收器和发射器的距离变化等于一个波长时,则发射信号与接受信号之前的相位差也正好变化一个周期,相同的李萨如图形就会出现。通过准确观测相位差变化一个周期时接收器移动的距离,即可得到其对应声波的波长。
实验内容及步骤
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:连续改变接收器位置,观察声压变化和接收器位置的关系,由此测定超声波波长(YT 模式/ 转动鼓轮找到振幅最大的 10 个节点)。
:利用示波器合成李萨如图,改变接收器位置,通过李萨如图形变换测定超声波长(XY 模式/ 转动鼓轮找到图形为“/”或“
\”的节点)。
,关掉电源,整理好仪器。
数据处理
驻波法
项目








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