大物实验报告声速测定

声速测定引言：本实验使用了超声声速测定仪、低频信号发生器（DF1027B）、示波器（ST16B）设计了共振干涉法、相位比较法、时差法来进行超声速的测定，并对实验数据进行处理、分析，最终得出声速，并与理论值进行比较。关键词：声速测定。Abstract:Thisexperimentusestheultrasonicvelocitymeasurementinstrument(DF1027B),lowfrequencysignalgenerator,oscilloscope(ST16B)designtheresonanceinterferometry,phasecomparisonmethod,thetimedifferencemethodforsupersonicweremeasured,andtheexperimentaldataprocessingandanalysis,finallyobtainsthespeedofsound,andcomparedwiththetheoreticalvalue.一、实验目的1、了解超声波换能器的工作原理和功能；2、学习不同方法测定声速的原理和技术；3、熟悉测定仪和示波器的调节和使用；4、测定声速在空气中的传播速度。二、仪器设备ZKY_SS超声声速测定仪、低频信号发生器、示波器。三、实验原理由波动理论得知，声波的传播速度v与声波频率和波长之间的关系为。所以只要测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出，波长则可用共振法和相位比较法进行测量。时差法可通过测量某一定间隔距离声音传播的时间来测量声波的传播速度。压电陶瓷换能器本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换。它主要由压电陶瓷环片、轻金属铅（做成喇叭形状，增加辐射面积）和重金属（如铁）组成。压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。在压电陶瓷片的两个底面加上正弦交变电压，它就会按正弦规律发生纵向伸缩，从而发出超声波。同样压电陶瓷可以在声压的作用下把声波信号转化为电信号。压电陶瓷换能器在声—电转化过程中信号频率保持不变。如图1所示，S1作为声波发射器，它把电信号转化为声波信号向空间发射。S2是信号接收器，它把接收到的声波信号转化为电信号供观察。其中S1是固定的，而S2可以左右移动。共振法测量波长由声源S1发出的声波，经介质（空气）传播到S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果接收面（S2)与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。反射面处是位移的波节，声压的波腹。改变接收器与发射源之间的距离，在一系列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波共振现象。此时等于半波过压电转换，产生的电信号的电压值也最大（示波器显示波形的幅值最大）。因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离，即可得到该波的波长，并用计算出声速。相位比较法测量波长声源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，但它和声源振动的位相差不随时间变化。设声源方程可写成，距声源x处S2接，两处振动的位相差nx2\2，若把两处振动分别输入到示波器x轴和y轴（如图2所示），调节接收器使合振动为一斜率为正的直线。当，即时，合振动为一斜率为负的直线。当x为其它值时，合振动为椭圆。移动S2，当其合振动为直线的图形斜率正、负更替变化一次，S2移动的距离为一个波长。准确测定移动的这个距离，再根据声波频率求出声波的传播速度。时差法测量原理以上两种方法测声速都是用示波器观察波谷和波峰，或观察两个波间的相位差，原理是正确的，但读数位置不易确定。较精确测量声速是用声波时差法。时差法在工程中得到了广泛的应用，它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过时间后，到达距离处的接收换能器，所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。四、实验内容准备与声速测量系统的连接1、示波器POWER开关置ON，调节亮度（INTENSITY）和聚焦(FOCUS)，使波形清晰。2、触发源（TRIG.SOURCE）开关置INT，触发方式（TRIG.MODE）开关置AUTO，触发电平（TRIG.LEVEL）右旋至锁定（LOCK）状态。3、声速测量时，专用信号源、测试仪、示波器之间的连接方法见图9-4。谐振频率的调节（1）将测试方法设置到连续方式，按图9-4（a）所示连好线。按下CH1开关，调节示波器，能清楚地观察到同步的正弦波信号。（2）调节专用信号源上的“发射强度”旋钮，使其输出电压在20VP-P左右，然后将换能器测试仪接线盒上的接收端接至示波器，将两声能转换探头靠近，按下CH2开关，调整信号频率，观察接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5kHz～39.5kHz之间，因不同的换能器或介质而异）电压幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点。（3）改变S1、S2的距离，使示波器的正弦波振幅最大，再次调节正弦信号频率，直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值。记录此频率f。共振干涉法测声速（1）将S2移动接近S1处(注意不要接触)，再缓缓地移动S2，当示波器上出现振幅信号时时，记下位置x0。（2）由近而远改变接收器S2的位置，可观察到正弦波形发生周期性的变化,逐个记下振幅最大的x1，x2，…，x9共10个点。相位比较法测声速（1）在共振干涉法实验的基础上,将示波器的X-Y控制键按下,即可观察到椭圆。（2）使S2稍靠拢S1，然后再慢慢地移离S2，当示波器屏上出现斜率为正的直线时，记下S2的位置。（3）移动S2，依次记下示波器上斜率负、正变化的直线出现时S2的对应位置、、…。（4）记下实验室温度t。…。时差法测量声速将测试方法设置到脉冲波方式，按图9-4（b）所示连好线。将S1和S2之间的距离调到一定距离（≥50mm），再调节接收增益，使示波器上显示的接收波信号幅度在400mV左右（峰—峰值），以使计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值Li、ti(时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)。移动S2，同时调节接收增益，使接收波信号幅度始终保持一致。每隔10.00mm记录下显示的时间值L1、ti共10个点。当使用液体为介质测试声速时，先在测试槽中注入液体，直到把换能器完全浸没，但不能超过液面线。然后将信号源面板上的介质选择键切换至“液体”，并将连线接至插入接线盒的“液体”接线孔中，即可进行测试，步骤与上相同。记下介质温度t℃。五、实验数据结果及分析共振干涉仪测量空气中的声速谐振频率f=37.346KHZ温度T=237.15+12Kf338.5平均实验fv343.04m/ssmKv/)]15.273/T59.045.331[（理论338.5m/s%100*||/vvvE理论理论实验—1.33%相位比较法测量空气中的声速谐振频率f=37.346KHZ温度T=237.15+12K平均实验fv349.3m/s%100*||/vvvE理论理论实验—3.20%测量次数i12345平均值位置Li/mm49.3253.5458.1062.8067.40测量次数i678910位置Li/mm72.0076.5081.1885.9090.40波长/mm9.0729.1849.2329.2409.2009.186测量次数i12345平均值位置Li/mm49.6251.6059.4265.8076.10测量次数i678910位置Li/mm88.4097.86107.80117.00125.30波长/mm7.7569.2529.67610.2409.8409.353时差法测量声速%100*||/vvvE理论理论实验—2.58%参考文献：李相银大学物理实验第二版.北京：高等教育出版社，2008.138页测量次数i12345平均值位置Li/mm507090110130329.76时差ti/s235.4303.2369.0429.6485.6测量次数i678910位置Li/mm150170190210230时差ti/s543.3605.6668.1729.8793.3声速v/(m/s)324.78330.68334.34334.00328.88