超声速的测定

长江大学物理科学与技术学院超声声速的测定大学物理实验之长江大学物理科学与技术学院1.掌握用驻波法和相位比较法测量空气中的声速2.加深对驻波和振动合成理论知识的理解，了解超声压电换能器的结构和原理3.进一步掌握信号源和示波器的使用，培养综合使用仪器能力﹡实验目的与要求长江大学物理科学与技术学院一、共振干涉法（驻波法）S1发射S2反射干涉而成驻波L2232Lp波腹波节S2表面声压与其位置的关系﹡实验原理长江大学物理科学与技术学院当换能器S1与S2的表面平行时，由换能器S1的震动产生的超声波在S1、S2两表面之间形成驻波，在接收换能器S2处是振幅的波节位置（理论推导）、声压的波腹位置，即该处位移为零，声压最大。当S1、S2的间距满足一定条件时，出现稳定的驻波现象，此时接收器S2表面的声压振幅最大，改变S1、S2的间距，可以测量到一系列的声压最大的位置，而这些相邻位置的间距就是超声波半波长的大小。利用示波器来观测经换能器S2产生的电信号波形，以确定振幅的最大位置。长江大学物理科学与技术学院波腹处的驻波-80-60-40-2002040608000.20.40.60.81干涉发射反射波节处的驻波-60-40-20020406000.20.40.60.81干涉发射反射结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为λ/2长江大学物理科学与技术学院难点：１、输入信号频率的影响改变输入信号频率，观察接收信号的变化。在某一频率点处（约35~36KHz之间）接收器接收信号幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点。实验时保持此频率不变。２、S1、S2间距的影响随着S1、S2间距的加大，接受信号的幅度会变小，要随时调节示波器的增益，以得到合适的图像。长江大学物理科学与技术学院二、相位比较法（行波法）S1发射S2反射干涉而成驻波L声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但它和声源的振动相位差Δj不随时间变化。jL2长江大学物理科学与技术学院S1接X通道,S2接Y通道，移动S2,得到如下李萨如图形：0j2jj23jj2结论：每次出现重复图形S2移动的距离为λ长江大学物理科学与技术学院﹡实验装置信号源示波器超声声速测量仪长江大学物理科学与技术学院1、按实验装置图接线，使发射头和接收头的端面尽量平行2、共振频率，调整函数发生器的输出频率，使接收头输出的电信号幅度最大3、共振干涉法测波长，记录示波器上波形相继出现10个极大值所对应的接收头的坐标4、相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现10个相同李萨如图形时所对应的接收头的坐标﹡实验步骤长江大学物理科学与技术学院1.逐差法计算波长，得到超声波传播速度16495101649510252251llllllLLLLLL位共fv2.计算超声波在空气中传播速度的公认值公认v，求出两种测量方法得到的v的相对误差E0/30.331TTv公认%100测量公认测量vvvE22512223/53/155/,3/01.03/,,fuuufBfiiABBAfuUHzUUUmmUUUU仪仪其中3.计算不确定度﹡数据记录与处理长江大学物理科学与技术学院﹡问题处理：示波器不显示驻波：调节信号发生器的输出频率，使频率处于换能器的共振频率上。驻波图形太大或太小：调节信号发生器的输出振幅、示波器的增益，以获得合适的图形。随着两换能器的间距增加，示波器显示的图形的会逐渐变小，可调节示波器的增益，以获得合适的图形。相位法测量时，须采用与驻波法相同的频率（即不可改变信号发生器的频率）。长江大学物理科学与技术学院1逐差法处理数据的优点是什么？2为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测量？3能否双显法进行测量？﹡思考题长江大学物理科学与技术学院﹡思考题解答参考1逐差法处理数据的优点是充分利用测量数据，并对数据有取平均的效果。2当输入电信号的频率为谐振频率时，压电换能器产生机械谐振，此时产生的声波幅度最大；当外力的频率等于谐振频率时，压电换能器产生机械谐振，此时得到的电信号最强。3能，将两端信号都接入示波器，示波器上两正弦波相邻两次相位相同点，接收端移动的距离为一个波长，从而测出波速。长江大学物理科学与技术学院﹡补充材料及仪器介绍压电换能器简介有些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生形变时，其表面会产生电荷，去掉外力时又回到不带电状态，这种现象叫做压电效应；具有该效应的物质为压电材料；利用压电材料的压电效应制成的换能器叫做压电换能器。