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实验报告

声速得测量

【实验目得】

1、学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中得声速

2、学会用逐差法进行数据处理;

3、了解声速与介质参数得关系。

【实验原理】

由于超声波具有波长短,易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行

声速测量得优点还在于超声波得波长短,可以在短距离较精确得测出声速。

超声波得发射与接收一般通过电磁振动与机械振动得相互转换来实现,最常

见得方法就是利用压电效应与磁致伸缩效应来实现得。本实验采用得就是压电陶瓷制

成得换能器(探头),这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。

声波得传播速度与其频率与波长得关系为:(1)由(1)式可知,测得声波得频率与波长,就可以得到声速。同样,传播速度亦可用(2)表

示,若测得声波传播所经过得距离L与传播时间t,也可获得声速。

共振干涉法

实验装置如图1所示,图中与为压电晶体换能器,作为声波源,它被低频信号发生器输出得交流电信号激励后,由于逆压电效应发生受迫振动,并向空气中定向发出以近似得平面声波;为超声波接收器,声波传至它得接收面上时,再被反射。当与得表面近似平行时,声波就在两个平面间来回反射,当两个平面间距L为半波长得整倍数,即

(3)

时,发出得声波与其反射声波得相位在处差(n=1,2……),因此形成共振。

因为接收器得表面振动位移可以忽略,所以对位移来说就是波节,对声压来说就是波腹。本实验测量得就是声压,所以当形成共振时,接收器得输出会出现明显增大。从示波器上观察到得电信号幅值也就是极大值(参见图2)。

图中各极大之间得距离均为,由于散射与其她损耗,各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应得接收器得位置,就可测出波长。由信号源读出超声波得频率值后,即可由公式(1)求得声速。

相位比较法

波就是振动状态得传播,也可以说就是位相得传播。沿波传播方向得任何两点同相位时,这两点间得距离就就是波长得整数倍。利用这个原理,可以精确得测量波长。实验装置如图1所示,沿波得传播方向移动接收器,接收到得信号再次与发射器得位相相同时,一国得距离等于与声波得波长。

同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。实验中输入示波器得就是来自同一信号源得信号,它们得频率严格一致,所以李萨如图就是椭圆,椭圆得倾斜与两信号得位相差有关,当两信号之间得位相差为0或时,椭圆变成倾斜得直线。

时差法

用时差法测量声速得实验装置仍采用上述仪器。由信号源提供一个脉冲信号经发出一个脉冲波,经过一段距离得传播后,该脉冲信号被接收,再将该信号返回信号源,经信号源内部线路分析、比较处理后输出脉冲信号在、之间得传播时间t,传播距离L可以从游标卡尺上读出,采用公式(2)即可计算出声速。

逐差法处理数据

在本实验中,若用游标卡尺测出个极大值得位置,并依次算出每经过个得距离为

这样就很容易计算出。如测不到20个极大值,则可少测几个(一定就是偶数),用类似方法计算即可。

【实验数据记录、实验结果计算】

实验时室温为16℃,空气中声速得理论值为

1.共振干涉法

频率

编号:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

L(mm)

50、00

52、58

54、41

57、46

59、63

62、40

64、46

67、37

70、60

72、16

编号:

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

L(mm)

74、01

77、00

79、01

81、84

83、80

86、92

88、78

91、66

93、31

96、49

使用逐差法进行数据处理,处理过程由C++程序完成,程序如下

#includeiostream

#includecstdio

usingnamespacestd;

constintn=10;

constdoublef=35、617;

constdoubleL[2*n]={50、00,52、58,54、41,57、46,59、63,62、40,64、46,67、37,70、60,72、16,74、01,77、00,79、01,81、84,83、80,86、92,88、78,91、66,93、31,96、49};

doubleLMD=0;

intmain

{

for(inti=0;in;i++)LMD+=(L[n+i]L[i])*2/n/n;

printf(v=%、3lf\n,LMD*f*2);

system(pause);

return0;

}

此程序运行结果为:v=344、461m/s;

2.相位比较法

频率

编号:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

L(mm)