声速测量实验报告.docx

Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】
声速测量实验报告
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。
学会用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】
声波的传播速度与声波频率和波长的关系为：
可见，只要测出声波的频率和波长，即可求出声速。可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。
根据超声波的特点，实验中可以采用驻波法和相位法测出超声波的波长。
1. 驻波法（共振干涉法）
如右图所示，实验时将信号发生器输出的正弦电压信号接到发射超声换能器上，超声发射换能器通过电声转换，将电压信号变为超声波，以超声波形式发射出去。接收换能器通过声电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观察。
由声波传播理论可知，从发射换能器发出一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收换能器。如果接收面和发射面严格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波相互干涉形成驻波。此时，两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长的整数倍。在声驻波中，波腹处声压（空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强）最小，而波节处声压最大。当接收换能器的反射界面处为波节时，声压效应最大，经接收器转换成电信号后从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值，所以可从接收换能器端面声压的变化来判断超声波驻波是否形成。
移动卡尺游标，改变两只换能器端面的距离，在一系列特定的距离上，媒质中将出现稳定的驻波共振现象，此时，两换能器间的距离等于半波长的整数倍，只要我们监测接收换能器输出电压幅度的变化，记录下相邻两次出现最大电压数值时（即接收器位于波节处）卡尺的读数（两读数之差的绝对值等于半波长），则根据公式：就可算出超声波在空气中的传播速度，其中超声波的频率可由信号发生器直接读得。

实验接线如下图所示。波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。在声波传播方向上，所有质点的振动位相逐一落后，各点的振动位相又随时间变化。声波波源和接收点存在着位相差，而这位相差则可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦交变电压信号的位相关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观察。
位相差和角频率、传播时间t之间有如下关系：
同时有，，，（式中T为周期）
代入上式得：
当 （n=1，2，3，...）时，可得。
由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即Ф=2π）。
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π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。
——压电陶瓷换能器
声速测定仪如下图所示，在支架和丝杠上相向安置两个固有频率相同的压电陶瓷换能器，左端支架上固定的是发射换能器，右端可移动底座安装的是接收换能器，当旋转带刻度手轮及借助螺旋测微装