超声波声速的测量

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1、实验名称类别辅助教师授课对象教材讲义实验目的实验方法原理.实验编号0801011超声波声速的测量3实验课时必修（）限选（） 任选（ ） 类型 演示、验证（）综合、设计（ ）职称全校工科本科生、专科生王宏波等大学物理实验 (上)东北林业大学出版社， 2004实验内容（教学过程）备注(1) 进一步熟悉示波器的基本结构和原理。(2) 了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。(3) 学习几种测定声波传播速度的原理和方法。(4) 通过时差法对声波传播速度的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。声波是一种弹性媒质中传播的纵波，波长、强度、传播速度等是声波的重要参数，超声波是频率大

2、于 20 kH 的机械波，本实验利用声速与振动频率 f 和波长 之间的关系 v = f 来测量超声波在空气中的传播速度。SV5 型声速测量组合实验仪 （含专用信号源），可以做时差法测定超声波传播速度的实验；配以示波器可完成利用共振干涉法，双踪比较法和相应比较法测量声速的任务。本声速测量仪是利用压电体的逆压电效应而产生超声波，利用正压电效应接收超声波，测量声速的四种实验方法如下： （由于声波频率可通过声源的振动频率得出，所以测量声波波长是本实验主要任务。 ）（1）李萨如图形相位判别法频率相同的李萨如图形随着 的不同，其图形的形状也不同，当形状为倾斜方向相同的直线两次出现时， 变化 2 ，对应接受

3、器变化一个波长。（2）共振法由发射器发出的平面波经接受器发射和反射器二次反射后，在接受器与发射器之间形成两列传播方向相同的叠加波，观察示波器上的图形，两次加强或减弱的位置差即为波形 。（3）双踪相位比较法直接比较发信号和接收信号，同时沿传播方向移动接受器位置，寻找两个波形相同的状态可测出波长。（4）时差法测出脉冲声速传播距离X 和所经历时间 t, 便可求得声速。;.实验YB4320F示波器 1 台，SV5 型声速测量组合实验仪 ( 含专用信号源 ) 1台。装置实验检查全部实验装置工作是否正常，特别是3 根同轴电缆。准备(1) 李萨如图形相位比较法转动声速测量组合实验仪的距离调节鼓轮，观察波形当

4、出现两次倾斜方向相同的倾斜直线时 ，记录这两次换能器的位置，两次位置之差为波长。(2) 共振法移动声速测量仪手轮会发现信号振幅发生变化，信号变化相邻两次极大实值或极小值所对应的接受器移动的距离即是 /2 ，移动手轮，观察波形变化，验在不同位置测 6 次，每次测 3 个波长的间隔。步(3) 比较法骤使双通道两路信号双踪显示幅度一样，移动手法会发现其中一路在移动，当移动信号两次与固定信号重合时所对应的接收器移动的距离是，移动手轮，观察波形变化，多记录几次两路信号重合时的位置，利用逐差法求波长。(4) 时差法转动手轮使两换能器的距离加大， 每隔 10mm 左右记录一次数据xi 和 ti ,根据公式获

5、得一系列vi 后，可以利用逐差法求得声速v 的平均值。(1) 李萨如图形相位比较法温度 20.8信号发生器显示频率 37.003 kHz接受器位置序号012345接受器位置坐标 /mm55.4064.5373.9483.4092.65101.90接受器位置序号67891011接受器位置坐标 /mm111.30120.68129.95139.25148.60158.06ji 6i55.9056.1556.0155.8555.9556.16xxxix i69.329.369.349.319.339.36数15j9.34 103m; v f3.4561102m / s6 j 0据(2)处共振法理温度

6、 20.8信号发生器显示频率 37.012 kHz次数接受器记录被测数被测 数 nx a1a2/mm =x/n /mm148.2076.28328.089.36276.28104.40328.129.373104.40132.41328.019.349.36 10-34132.41160.59328.189.395160.59188.69328.109.376188.69216.72328.039.34其中16i 9.36103m； vf3.4649102m / s6 i1;.(3)比较法温度 20.8信号发生器显示频率 37.015 kHz接受器位置序号012345接受器位置坐标57.656

7、7.0476.3886.7595.12104.59接受器位置序号67891011接受器位置坐标114.06123.50132.77142.26151.58161.09xxx/mm56.4156.4656.3955.5156.4656.50ji 6i159.409.419.409.259.419.42jjj60(4) 时差法温度 20.8信号发生器显示频率 37.032 kHz接收器位置序号 i012345接收器位置坐标xi/mm56.8566.8076.8086.8096.80106.80脉冲传播时间 t i/us347377407434465491接收器位置序号 i67891011接收器位置

8、坐标xi/mm116.80126.80136.80146.80156.80166.80脉冲传播时间ti/us522551579606635663v jxi 6xi/ ms1342.57344.83348.84348.84352.94348.84ti6t i数15据2mm/s6j0j3.4781 10处理(5)环境温度为 T( ) 时的声速1T331.520.8343.89m/soTo1273.15(6) 不确定度的计算及实验结果165j 9.38 10 3 m;3.4720 102 m/sj 0fuA ( )(i )26.83 10 6 muB1 10 5 mn( n1)u( )u2( ) u

9、 2( ) 1.21 10 5 mABu( f )u B ( f )510 437.003 1031 19.502Hzuc( v ) f u() 2 u ff 237.0031039.3410 31.398610 30.4834 m/s取 k = 2，则 U=2 u c( v)0.9668 m/sv vv(345.610.97) m/s;.1.示波器在使用过程中荧光屏上只有一条水平亮线而没有被测信号是什么原因造成的?答：在示波器的使用过程中，上述现象经常出现，造成这一现象的原因很多，大致可归纳为：示波器接地 （GND）（测量时接地按键GND应该弹起） ； 衰减开关VOLTS/DIV 选择过大（

10、测量时可先选择小些）；信号发生器输出过小或没有输出；信号发生器输出直流信号； 在信号的传输中，导线或接头接触不良，也可造成该现象； 示波器的相关功能键都应选择在正确工作状态下。总之， 影响的因素很多，要求使用者在使用前一定认真阅读教材。2. 在测量声速时， Y1(CH1) 的输入信号，由于示波器的 Y 轴放大器、压电转换器、联接线路的相移等原因并不与声波的位相相同，这对于观察测量声波波长有无影响? 为什么?答：没有影响。 因为波长是波在传播过程中位相差为2的两点间的距离， 与该处位相无关，所以无影响。3. 试比较几种测声速方法的优缺点。答：实验讲义上共列出了三种测量方法：李萨如图相位比较法，共振法，波形相位比较法。 一般说来，李萨如图相位比较法测量的比较准，同时便于对知识的温新和巩固，对于示波器的使用以及学生动手能力和思考问题的培养，不失是一种较好的途径， 但操作比较繁；对于共振法， 判断相对要困难一些， 所以测量误差一般要大一些，但可以直观地了解共振现象；而波形相位比较法比的现象较直观，可操作性强， 只是相位判别不如李萨如图相位比较法准确，但只要认真操作，误差也不会太大。;.