超声波波速的测量实验报告.docx
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超声波波速的测量实验报告
超声波波速的测量实验报告
篇一:
超声波测量声速---大学物理仿真实验报告
超声波测光速---仿真实验报告
实验日期:
教师审批签字:
实验人:
审批日期:
一、实验目的
1.能够调整仪器使系统处于最佳工作状态。
2.了解超声波的产生、发射、接收方法。
3.用驻波法(共振干涉法)、相位比较法测波长和声速。
二、实验仪器及仪器使用方法
(一)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○3示波器。
○
(二)仪器使用方法
1、连接测量电路。
连线时鼠标选中接口,然后按住不放,拖到需要连接的另一接口后松开鼠标。
如已有连线,则此操作将去掉连线。
鼠标右键单击,弹出主菜单,选中接线检查,检查连线是否正确。
2、调整仪器。
双击各仪器弹出其放大窗口,调整该仪器。
(1)示波器的使用与调整。
请先调整好聚焦。
然后鼠标单击示波器的输入信号的接口,把信号输入示波器。
接着调节通道1,2的幅度微调,扫描信号的时基微调。
最后选择合适的垂直方式选择开关,触发源选择开关,内触发源选择开关,Auto-Norm-X-Y开关,在示波器上显示出需要观察的信号波形。
输入信道的信号是由实验线路的连接决定的。
(2)信号发生器的调整。
频率选择35KHz左右,幅度为5V的一个正弦信号。
通过调节信号发生器的微调旋钮,观察示波器上信号幅度是否为最大来逐步寻找换能器的共振频率。
1通过游标卡尺来测量左右换能器间的距离。
2当(3)超声速测定仪的使用。
○○
把鼠标移动到右边的换能器上后,会出现“?
?
”标志,表明此时可以移动。
按下鼠标左键向左移动,按下右键向右移动。
移动的幅度可以通过“调节状态”的“粗调”和“细调”来控制。
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。
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,它们波动方程分别为
x
y1?
Acos2?
?
x
y2?
Acos2?
?
叠加后合成波为:
y?
y1?
y2?
2Acos2?
x?
cos2?
ft
?
?
时为波腹,当x=?
42
?
时为波节。
相临波腹(波节)间距离为,故只要测得相邻两波腹(或波节)的位置
2
Xn、Xn-1即可得波长。
当x=?
n
2、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:
?
?
2?
x
?
(其中?
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2?
。
利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。
五、数据记录及数据处理
六、实验结论及误差分析
1、用驻波法测得声速v=/s,误差为Er?
v?
v0v0v?
v0v0
?
%
用相位法测得声速v=/s,误差为Er?
2、误差分析
’
?
%
1、对于驻波法,调节波的振幅时,由于在振幅最大与最小附近变化不明显,因此可○
能读数时并非是处于振幅最大与最小处,导致求得的波长不准。
2、对于相位法,调节游标卡尺时,肉眼观察图案成为一条线时,实际可能没有完全○
重合,导致求得的波长不准。
3、建议
1、多次测量求平均值。
○
○2、改进软件性能,使分辨率提高
篇二:
超声波声速测量数据处理范例
超声波声速的测量实验数据处理
实验室初温:
t1=oc;实验室末温:
t2=oc
1.
?
?
用逐差法处理波长λ1?
3依公式计算?
i
?
i
fif?
?
?
?
波长的不确定度:
A类分量:
?
A?
2
n?
|30
B类分量:
取其仪器误差限,考虑为均匀分布,则
?
B?
?
仪?
合成不确定度:
?
?
?
2
A?
?
2
B?
波长λ的测量结果:
2.频率f的数据处理:
A类分量:
?
A?
?
2n?
B类分量:
取信号源误差限,考虑为均匀分布,则?
B?
?
合成不确定度:
?
2
A?
?
2
B?
频率f的测量结果:
3.波速v的数据处理
V?
?
f?
1
不确定度传递为
?
V?
V?
2?
2?
波速测量结果:
4.理论值及相对误差的计算
由实验室初温和末温:
t1=oc,t2=oc得到温度的平均值为:
t0=/2=/2=oc声速的理论值:
V?
V0?
T?
?
?
V0?
00?
?
?
/s?
100%将声速的两次测量值与理论值进行比较,由Er?
5.实验结论:
V实?
V理V理
2
篇三:
大学物理实验超声波速测量实验报告
大学物理实验超声波速测量实验报告一实验目的
1.了解超声波的物理特性及其产生机制;
2.学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据;
3.测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数;
4.并运用超声波检测声场分布。
5.学习超声波产生和接收原理,
6.学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度,并与公认值进行比较。
7.观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射
二实验条件
HLD-SV-II型声速测量综合实验仪,示波器,信号发生仪
三实验原理
1、超声波的有关物理知识
声波是一种在气体。
液体、固体中传播的弹性波。
声波按频率的高低分为次声波(f<20Hz)、声波(20Hz≤f≤20kHz)、超声波(f>20kHz)和特超声波(f≥10MHz),如下图。
声波频谱分布图
振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波:
横波:
质点振动方向和传播方向垂直的波,它只能在固体中传播。
纵波:
质点振动方向和传播方向一致的波,它能在固体、液体、气体中的传播。
表面波:
当材料介质受到交变应力作用时,产生沿介质表面传播的波,介质表面的质点做椭圆的振动,因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。
板波:
在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波,可分为SH波与兰姆波。
超声波由于其波长短、频率高,故它有其独特的特点:
绕射现象小,方向性好,能定向传播;能量较高,穿透力强,在传播过程中衰减很小,在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远,而且在液体里的衰减和吸收是比较低的;能在异质界面产生反射、折射和波形转换。
2、理想气体中的声速值
声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程,因此传播速度可表示为
V?
rRT
?
式中R为气体普适常量),?
是气体的绝热指数,若以摄氏温度t计算,则:
T?
T0?
t
T0?
代入式得,
V?
rR
?
rR
?
T0?
?
ttV0?
T0T0
对于空气介质,0℃时的声速V0=
校准后声速公式为:
m/s。
若同时考虑到空气中的蒸汽的影响,
V?
331.m/sT0p
式中pw为蒸汽的分压强,p为大气压强。
3、共振干涉法
设有一从发射源发出的一定频率的平面声波,经过空气传播,到达接收器,如果接收面与发射面严格平行,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,反射面处为位移的波节。
改变接收器与发射源之间的距离l,在一系列特定的距离上,媒质中出现稳定的驻波共振现象。
此时,l等于半波长的整数倍,驻波的幅度达到极大;同时,在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。
不难看出,在移动接收器的过程中,相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。
因此,若保持频率v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,就可以用V?
v?
计算声速。
声压变化与接收器位置的关系:
4、相位比较法
发射波通过传声媒质到达接收器,所以在同一时刻,发射处的波与接收处的波的相位不同,其相位差?
可利用示波器的李萨如图形来观察。
?
和角频率?
、传播时间t之间有如下关系:
?
?
?
t
同时有:
?
?
2?
/T,t?
(式中T为周期),代入上式可求得声速V。
?
的确定用如下方法:
根据l,?
?
TVV
?
?
2?
l/?
当l?
n?
/2时,得?
?
n?
。
实验时,通过改变发射器与接收器之间的距离,可观察到相位的变化。
而当相位差改变?
时,相应的距离l的改变量即为半个波长。
为精确测定波长的值,在实际的操作中要连续测多个相位改变?
的点的坐标,再用逐差法算出波长?
的值,根据波长和频率值可求出声速。
行波法相位差图:
5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射
由于超声波具有波长短,易于定向发射及抗干扰等优点,所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。
本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速;并研究声波双缝干涉,单缝衍射及声波的反射现象,将测量结果与理论计算进行比较,从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。
6、声波的干涉和衍射
双缝干涉实验装置如图1所示。
对于不同的?
角,如果从双缝到接收器的程差是零或波长的整数倍,就会产生相长干涉,因而观察到干涉强度的极大值;当程差是半波长的奇数倍时,干涉强度有极小值。
因此,干涉强度出现极大值与极小值的条件如下:
极大值:
dsin?
?
n?
极小值:
dsin?
?
?
2
式中,n为零或整数,d为二个缝中心位置的距离,?
为声音的波长。
图1
衍射效应用超声波也可以观察到,采用1个单缝,如图2所示。
当来自单缝的一半的辐射与来自另一半的辐射相差半波长奇数倍时,会产生相消干涉,因此相消干涉条件是:
a1sin?
?
?
(6)22
式中,n=0,±1,±2,?
?
,a为单缝缝宽,?
为接收器离中心位置转过角度。
图2
三、实验内容
:
声音在空气中传播速度测量
1、调整测试系统的谐振频率
按图4将实验装置接好。
正弦波的频率取40KHz,调节接收换能器尽可能近距离,且使示波器上的电源信号为最大。
然后,将两个换能器分开稍大些距离(约5-6cm),使接收换能器输入示波器上的电压信号为最大。
再调节频率,使该信号确实为该位置极大值。
此时信号源输出频率才最终等于二个换能器的固有频率。
在该频率上,换能器输出较强的超声波。
2、在谐振频率处用共振法和相位法测声速。
当测得一声速极大值后,连续地移动接收端的位置,测量相继出现20个极大值所相应的各接收面位置Li,再用逐差法求波长值。
在用相位比较法时,将接收器与示波器的Y轴相连,发射器与示波器X轴相连,即可利用李萨如图形来观察发射波与接收波的相位差,适当调节Y轴和X轴灵敏度,就能获得比较满意的李萨如图形。
对于两个同频率互相垂直的简谐振动的合成,随着两者之间相位差从0--π变化,其李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆,再由椭圆变到斜率为负的直线。
记录游标卡尺上读数时,应选择李萨如图形为直线时所对应的位置。
每移动半个波长,就会重复出现斜率正负交替的直线图形。
3、本实验温度应正确仔细地测量(为什么?
),并测出温度计干泡温度和湿泡温度,查表得到该状态下的pw值,再测得实验室当时的气压值p,(干燥天气可不必测量pw和p)(详
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- 超声波 波速 测量 实验 报告
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