2023年实验报告模板声速测量.docx
南昌大学物理实验报告课程名称：大学物理实验实验名称:声速测量学院：化学学院 专业班级：应化1 5 2班学生姓名： 余富丁 学号:实验地点：B10 4 座位号：28实验时间:第8周星期8下午4点开始一、实验目的：1、学会测量超声波在空气中的传播速度的方法。2、理解驻波和振动合成理论。3、学会逐差法进行数据解决。4、了解压电换能器的功能和培养综合使用仪的能力。二、实验原理：声速V、声波频率f和波长九之间的关系为v=fX可见,只要测得声波的频率f和波长九，就可求得声速V。声波频率范围信号发生器产生超声波的 频率，直接由信号发生器显示，所以只要测出声波波长3即可拟定声速，而测量波长常用的方法有驻 波法和相位法。1、 超声波的发射与接受一一压电陶瓷换能器声速测定仪重要由两只相同的压电陶瓷换能器组成（图2 0 1中的s 1和S2）,它们分别用于超声波 的发射和接受。压电陶瓷一般由一种多晶结构的压电材料（如钛酸领、错钛酸等）组成，具有压电效应。当它们受外力 作用形变时，表面上会出现电荷，去掉外力后电荷消失，这就是压电效应。压电效应是可逆的，在两 表面上加一电压时，雅典晶体发生形变，撤去电压后又恢复原状，此即逆压电效应。假如加上的电压是 频率f超过20kHz的交流电,压电材料就会因逆压电效应产生频率也为f的周期性纵向收缩，从而压迫空 气成为超生比的波源，图2 01中的si换能器正是基于此原理而发射超声波。同样，压电材料也可运 用压电效应，将声场中声压的变化，用来接受信号，图2 0-1中的s 2换能器正是基于此原理将受收到的 超声波信号转换成电压信号送入示波器显示。虽然给电压陶瓷加以压力或电信号就会有压电效应或逆压电效应，但是能量的转换效率却与所加信号的频率有关。每个关于压电陶瓷换能器都有一个谐振频率f。，当外加正弦交变压力信号的频率 等于fo时，换句话说，压电陶瓷换能器在谐振频率下工作时,作为接受器时灵敏度最高；作为发射器时 辐射效率最高。所以，实验时应仔细调节信号发生器的工作频率，以使换能器谐振。2、 驻波法测波长如右图所示，实验时将信号发生器输出的正弦电压信号接 到发射超声换能器上，超声发射换能器通过电声转换,将电压 信号变为超声波，以超声波形式发射出去。接受换能器通过声 电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观测。由声波传播理论可知，从发射换能器发出一定频率的平面声波，通过空气传播，到达接受换能器。假如 接受面和发射面严格平行，即入射波在接受面上垂直反射，入射波与反射波互相干涉形成驻波。此时, 两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长的整数倍。在声驻波中，波腹处声压（空气中由于声扰动而 引起的超过静态大气压强的那部分压强）最小，而波节处声压最大。当接受换能器的反射界面处为波 节时,声压效应最大，经接受器转换成电信号后从示波器上观测到的电压信号幅值也是极大值，所以可从 接受换能器端面声压的变化来判断超声波驻波是否形成。移动卡尺游标，改变两只换能器端面的距离，在一系列特定的距离上，媒质中将出现稳定的驻波共振现 象,此时，两换能器间的距离等于半波长的整数倍,只要我们监测接受换能器输出电压幅度的变化，记录 下相邻两次出现最大电压数值时（即接受器位于波节处）卡尺的读数（两读数之差的绝对值等于半波 长），则根据公式:丸=外就可算出超声波在空气中的传播速度,其中超声波的频率可由信号发生器直接读 得。3、相位比较法实验接线如下图所示。波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。在声波传播方向上，所有质点的 振动位相逐个落后，各点的振动位相又随时间变化。声波波源和接受点存在着位相差，而这位相差则可 以通过比较接受换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦交变电压信号的位相关系中得出，并可 运用示波器的李萨如图形来观测。位相差0和角频率。、传播时间t之间有如下关 系:（p = cod同时有，=2% = % ,4 = IV（式中T为周期）代入上式得：（p = 当 / 二%（n=l,2,3,）时，可得 0 = 万。由上式可知:当接受点和波源的距离变化等于一个波长时，则接受点和波源的位相差也正好变化一个周 期（即二2冗）o实验时，通过改变发射器与接受器之间的距离，观测到相位的变化。当相位差改变冗时，相应距离/的 改变量即为半个波长。根据波长和频率即可求出波速。三、实验仪器：信号发生器、双踪示波器、声速测定仪。U!、实验内容和环节:1、驻波法测波长由分析可知，相邻两个声压波节或者相邻两个声压波腹之间的距离也均为人/2。因此，当移动接 受器端面到驻波的某一波节位置是，接受到的声压为波腹的位置，接受器转换器的电信号在示波器上 也最强。继续移动接受器端面到另一个位置时，若示波器再次出现最强的信号，则两次接受器端面位置 之间的距离就是相邻两个声压波腹之间的距离，即入/2。2、相位法测波长当接受器和发射器的距离变化等于一个波长时，则发射信号与接受信号之间的相位差也正好变化 一个周期，相同的李萨如就会出现。通过准确观测相位变化一个周期时接受器移动的距离，即可以得出 相应的波长。五、实验数据与解决：1、驻波法（共振干涉法）f =37. 394kHz项目/m mS2坐标/ mmXiX2x3x4x5x6x7x8x9Xio24. 7412 8.11533.7363 8.33643. 1 6147. 22252. 05257.65862.13366.7 76逐差(5Zkx)X6-Xix7-x2X8-X3X9-X4Xio- X 522.48123.93723.92223.79723.615(X/2=Ax)8.99 2 49.574 89.5 6889. 5 18 89.44 6 0九的平均值9.4 2 022、相位比较法f=3 7.499kHz项目/ mmS 2坐标/m mXix2X3x4x5x6X7x8x9Xio11 . 32121. 3122 9 .47338. 75 047.30856.9896 6 .69576. 47585.23294.974逐差(5A x)X6-XiX7-X2x8-x3X9-X4Xio- X 545.6684 5.38347.00246.48247.6 6 6X(九 / 2 = X )1 8. 26718. 15 318.8 0 118.5 931 9.066九的平均值18. 5761、驻波法：波长入，A类不拟定度S/=(入1一入户+(人比)2+(入3又)2+(入4入)2+(入52/4=(8. 9 9 24-9.4202) 2+ (9.57 4 8-9.4202) 2+ ( 9 .5688-9. 4 202)2+(9.5 1 8 8-9.4 2 0 2) 2+(9.44 6 0 -9. 4 202)2/4=0.059 9，所以S产0.2 4 46mm,又B类不拟定度仪=0.0 0 1mm,所以合成不拟定度U九二0.2 4 46mm o对于频率 f,只有 B 类不拟定度仪=0.001kHz; V= X - f=9.4202 X 37.3 9 4 = 3 5 2.259JnV=ln 入 +1 n f所以 V 的不拟定度 Uv= (5 1 nV/ainX)2 - U/+(洌 n v/dln f ) 2 - Uf205 V=9. 1466所以 V= ±Uv=3 52. 259 ±9. 1 466, Uv=9.146 62、相位比较法：波长入，A类不拟定度5入2=(入L入)2 + (入2，了+(入3又)2+(入4%)2+(入5%)?/ 4 = (18.2 6 7-18. 576)2+(18. 153-1 8.5 76)2+(18. 8 01-18.5 7 6) 2+ (18. 5 93-1 8 .5 7 6)2+(19.066-1 8 . 576)21 /4=0.1 4 14,所以Sx= 0.3 760mm，又B类不拟定度仪=0.001mm,所以合成不拟定度U九二0.376 0 mm。对于频率 f,只有 B 类不拟定度仪=0. 00 1 kHz； V= X - f=18.5 7 6 X 37.49 9 =696.58 1 , InV =1 n X + 1 n f所以 V 处拟定度 Uv=(a I n V/ainX) 2 - Ux2+(ainv/51 n f) 2 Uf20-5 - V=14.10O所以 V= q±Uv=6 96.58 1 ±4. 100, Uv=14.100六、误差分析:1、测量时频率会不断变化，有时候指示灯会忽亮忽灭，所以会产生一定的误差。2、示波器上判断极大值的位置不准确,以及在发射换能器和接受换能器之间不是严格的驻波场。七、实验总结:实验看起来很难,但是只要认真看了资料，预习了课本就可以轻松了解实验器材的使用方法，做起 实验来就不久，前几次实验都是由老师先讲清楚实验内容和实验的具体操作,然后再是我们自己动手做 实验，但是这是第一次老师不讲而是让我们自己看资料，自己做实验，感觉这才是真正地做实验，而前 几次完全只为了得出一个实验数据和结果，但是这次却是自己独立完毕，体会了实验的过程。八、附上原始数据:J二37羽4硝._
