利用模拟示波器测声速北航物理研究性实验报告课件.doc

北航物理研究性实验报告 利用模拟示波器测量声速 作者： 学号：  目录 摘要 １ １ １ ２ ３ ４ ４ ４ ６ ７ ８ ８ ９ ９ ９ １１ １１ 因此只要测出声波的频率和波长就可以算出声速。? 实验装置原理如图1.4所示。其中和分别用来发送和接受声波。它们是以压电陶瓷为敏感元件做成的电声转换能器。当把电信号加在S1的电端时，转换器端面产生机械振动（反向压电效应）并在空气中激发出声波。当声波传递到表面时，激发起端面的振动，又会在其电端产生相应的电信号输出（正向压电效应）。 图1.4 信号发生器产生频率为几十kHz的交变电信号，其频率可有频率计精确测定。换能器端面发出相同频率的声波（属于超声波频段，人耳听不见）。为了确定声速，还要测定声波的波长。可以用以下两种方法进行，本实验采用第一种方法。 2）振幅法 S发出的声波传播到接收器后，在激发起振动的同时又被的端面所反射。保持接收端面和发送器端面互相平行，声波将在两平行平面之间往返反射。因为声波在换能器中的传播速度和换能器的密度都比空气要大得多，可以认为这是一个以两端刚性平面为界的空气柱的振动问题。当发送换能器所激发的强迫振动满足空气柱的共振条件： 时，接收换能器在一系列特定的位置上将有最大的电压输出。式中是空气柱的有效长度，是空气中的声波长，取正整数。考虑到激励源的末端效应，式还应附加一个校正因子Δ： ? 式中，是空气柱的实际长度，即发送换能器端面到接收换能器端面 之间的距离。? 在处于不同的共振位置时，因是常数，所以各电信号极大值之间的距离均为。由于波阵面的发散及其他损耗，故随着距离的增大，各极大值的振?幅逐渐减小。当接收器沿声波传播方向由近而远移动时，接收器输出电信号的变化情况如图1.5所示。只要测出各极大值所对应的接收器的位置，就可以测出波长?。 图1.5 3）相位法 波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。对行波而言，沿传播方向上的任意两点，它们和波源的相位差2π（或2π的整数倍时），该两点的距离就等于一个波长（或波长的整数倍).而就本实验而言，和之间柱受换能器激励作受迫运动，其振动状态（相位）是距离的周期函数，因此每移过一个的距离，激励源和接收器的电信号的相位差也将出现重复。这表明可以用测量相位差的办法来测定波长。把激励信号接示波器的X端，把输出波形接Y 端，可以在屏幕上看到稳定的椭圆。当相位差为0或π时，椭圆变成向左或向右的直线。移动，当示波器重现同一走向的直线时，所移过的距离就等于声波的波长。 4)实验仪器 声速测量仪、信号发生器、模拟示波器、数字示波器、温度计。 5)实验步骤 （1）?按实验装置图接线，使与靠拢且留有一定间隙，两端面尽量保持平行且的移动方向垂直。用示波器观察加在发射头上的电信号和由接收头输出的电信号，微调信号发生器的频率，使其在压电换能谐振频率附近。缓慢移动可在示波器上看到正弦波振幅的变化；移到第一次振幅较大处，固定，再仔细调节频率，使示波器上的图形振幅最大，此时即达到谐振状态，此时的频率等于压电换能器的谐振频率。? （2）振幅法测波长是利用接受换能器电压输出地极值位置的间隔来确定。为提高精度，要求测定连续10个间隔为的距离，即连续测量第1~10?个极大值的位置，接着，继续移动接收器，默数极大值到第41个时再连续测出10个极大值位置 。由上面20个数据用逐差法计算和。 （3）?计算声速测量中各直接测量值的决定度。其中波长测量的不确定度包括3个分量：逐差法计算中的A类分量、仪器误差限仪带入的B类分类以及位置判断不准确而产生的B类分量 。频率测量的不确定度只计测量过程信号频率不稳定而造成的B类分量。? （4）计算测定的空气声速v及其不确定u(v)，给出相应的结果表述。计算相应室温下空气声速的理论值，与测量值比较，计算百分差。 6)实验数据及处理 （1）实验数据 频率：=36.315kHZ =36.321kHZ 温度：T=20℃ 位置 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 读数 251.30 246.13 241.55 236.79 232.37 227.37 222.88 217.59 213.22 208.34 位置 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 读数 61.58 56.85 52.06 47.31 42.30 37.71 32.89 28.17 23.35 18.59 (2)数据处理 频率：=36.318kHZ 声波的半波长 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 4.743 4.732 4.737 4.737 4.752 4.742 4.750 4.