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大物仿真实验:超短波测量声速1超声波测量声速实验报告——大学物理仿真实验学院:生命学院班级:生基硕01姓名:廖崇兵学号:10123011实验日期:2011年6月3日—9日交报告日期:2011年6月10日大物仿真实验:超短波测量声速2一、实验目的1.了解超声波的产生、发射和接收的方法;2.用驻波法和相位比较法测声速。二、实验仪器1.超声声速测定仪:主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。2.函数信号发生器:提供一定频率的信号,使之等于系统的谐振频率。3.示波器:示波器的x,y轴输入各接一个换能器,改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的李萨如图形。并由此可测得当前频率下声波的波长,结合频率,可以求得空气中的声速。三、实验原理由波动理论可知,波速与波长、频率有如下关系:v=fλ,只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器,信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法(共振干涉法)和行波法(相位比较法)测量。下图是超声波测声速实验装置图。1.驻波法测波长由声源发出的平面波经前方的平面反射后,入射波与发射波叠加,它们波动方程分别是:y1=Acos2π(ft−xλ)y2=Acos2π(ft+xλ)叠加后合成波为:y=(2Acos2πxλ)cos2πftcos2πxλ=±1的各点振幅最大,称为波腹,对应的位置:x=±nλ2(n=0,1,2,3…);cos2πxλ=0的各点振幅最小,称为波节,对应的位置:x=±(2n+1)λ4(n=0,1,2,3…)。因此,只要测得相邻两波腹(或波节)的位置Xn、Xn+1即可得波长。图1实验装置和接线图大物仿真实验:超短波测量声速32.相位比较法测波长从换能器S1发出的超声波到达接收器S2,所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差:φ=2πxλ(其中λ是波长,x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时,相位差就改变2p。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。四、实验步骤1.连接仪器。按照图1连接好仪器,使用前开机预热10min,自动工作在连续被方式,选择的介质为空气,观察S1和S2是否平行。图2接线截图2.测量信号源的输出频率𝐟𝟎。将示波器调整为y-t模式,观察到正弦信号的波形,使S1和S2间的距离约为5cm;调节信号发射强度,波幅为5V,在350(100MHz)附近调节频率,同时观察波形,使信号幅度最大,此时频率为329(100MHz),即为本系统的谐振频率。3.驻波法测波长和声速。向右缓慢移动S2,观察示波器正弦信号的变化,选择信号最大位置开始读数,记为xi,取i=10,用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率f0计算声波波速和误差。4.用相位比较法测波长和声速。将示波器调整为X-Y工作方式。观察示波器出现的李萨如图形,缓慢移动S2,当重复出现该图形时,说明相位变化了2π,即S1和S2之间移动了一个波长。沿右连续测量10个周期,用逐差法处理数据,求出波长、声速及误差。大物仿真实验:超短波测量声速4李萨如图形图3Ф=0图4Ф=π图5Ф=π4图8Ф=π2图6Ф=π2图9Ф=π4图7Ф=3π4图10Ф=2π大物仿真实验:超短波测量声速5五、数据记录及处理1.基础数据记录谐振频率f0=33.5kHz2.驻波法测量声速表1驻波法测量声速数据i1i(cm)i+61i+6(cm)λi=(1i+6-1i)/3(cm)19.062712.2341.05729.576812.7761.067310.124913.3141.063410.6501013.8221.057511.1801114.3541.058611.7021214.8441.047λ的平均值:6161ii1.0582(cm)λ的不确定度:)1()(612iiSii=0.002(cm)因为,λi=(1i+6-1i)/3,Δ仪=0.02mm所以,=仪332u0.000544(cm)22uS0.021(mm)计算声速:50.354f(m/s)计算不确定度:(m/s)3)()((kHz)2.03%122ffff实验结果表示:υ=(354±3)m/s,=0.8%3.相位比较法测量声速表2相位比较法测量声速数据(相位变换2π)i1i(cm)i+71i+7(cm)λi=(1i+7-1i)/7(cm)谐振频率18.162815.9261.109f=32.0kHz29.282917.0501.1103104001018.2201.107411.5121119.2061.099512.6001220.2901.099613.7221321.4601.105714.8321422.5321.100大物仿真实验:超短波测量声速6λ的平均值:7171ii1.1041(cm)λ的不确定度:)1()(712iiSii=0.002(cm)因为,λi=(1i+7-1i)/7,Δ仪=0.02mm所以,=仪372u0.000233(cm)22uS0.020(mm)计算声速:31.353f(m/s)计算不确定度:(m/s)3)()((kHz)2.03%122ffff实验结果表示:υ=(353±3)m/s,B=0.8%六、误差分析1.由于使用软件虚拟操作,应该不会出现一些读数的误差,操作上也应该没有什么问题;2.由于6月9日无法登陆大物实验中心和大厅,所以数据并没有从软件上得到,我只有参考了一些网络上的数据。七、实验建议1.虚拟实验的软件有很多地方还可以优化一下,如添加一个最小化按钮,调整一下,使之支持64位的操作系统等。2.实验的原理可以写得详细一些,由于有些知识没有学习,很大部分的实验原理都看不懂,知识照着实验指导上的步骤去做而已。八、思考题1.准确测量谐振频率的目的是什么?答:在谐振频率时,波形最稳定,能够观察读数。准确测量数值,以便于调整。2.若固定两换能传感器之间的距离,改变频率,能否测量出声速?为什么?能。因为v=fλ,已知频率f,而且波长λ也能通过示波器图像读出,所以可以用驻波法测量出声速。
本文标题:超声波测声速实验报告
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