声速测量实验报告.docx

声速测量实验报告 时间：2021.02.09 创作人：欧阳历 【实验目的】 1?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】 声波的传播速度卩与声波频率/和波长的关系为： 可见，只要测出声波的频率/和波长八即可求出声速。f 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。 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 可从接收换能器端而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：心〃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。 2 ?相位比较法 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 的位相关系中得岀，并可利用示波器的李萨如图形来观 察。 位相差卩和角频率 3、传播时间t之间有 如卜关系：（p = CD t 同时有,e = 2% ， 2 = Tv （式中T为周期） 代入上式得：外罕 当/ = （n=l, 2, 3,???）时，可得卩=“兀。 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① 二 2tt）o 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#h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。 3 ?超声波的发射与接收「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置，就可精密地调节并测 岀两换能器之间的距离。 丝杆 数显游标卡尺下图中两换能 丝杆 数显游标卡尺 器的核心元件（压 电片）都是由压电 材料（如石英、错钛酸铅陶瓷等）做成，压电材料具有正 压电效应（在应力作用下两极产生异号电荷，两极间产生 电位差）和逆压电效应（压电材料两端间加上外加电压时 能产生应变）。利用上述可逆效应将压电材料制成的压电 换能器可以实现声能与电能的相互转换。当左边压电换能 器S1处于交变电场中时，利用逆压电效应可以把电能转换 为声能作为声波发生器；而右边压电换能器S2则是利用正 压电效应，将接收的声振动转化成电振动作为声波接收 器。 【实验内容】 1 ?用驻波法（共振法）测声速： 按图连接装置，将信号源调至压电陶瓷换能器的固有 频率，示波器叠加方式用T27内触发电源亦选T2或 Tl/Y2,：连续改变接收器位置，观察声压变化与接收器位 置的关系，由此测定超声波波长。 2?用相位比较法（李萨如图形法）测声速： 按图连接仪器装置，示波器叠加方式用交替或断 续；内触发电源选T27按下示波器的洪Y犍，改变接收器 位置，通过李萨如图形测定超声波波长。 【数据处理】 驻波法（共振干涉法） 数据表 1 /=37.022 KHz 项目 S：坐标（mm） Xx X： x3 Xi x5 Xg X； Xs x9 Xxo Xu X12 x13 Xli x15 x16 Xk Xis X19 Xzo 24 ?0 27 28. 696 33. 268 38 ?9 73 42 ?6 41 47 ?3 75 52 ?1 52 57 ?8 62 62 ?5 68 66 ?2 28 71 .9 71 7