《位相法测声速》PPT课件.ppt

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1、位相法测声速位相法测声速物理实验物理实验 制作人制作人:刘颖刚刘颖刚 刘钦朋刘钦朋1 声波是一种在弹性介质中传播的机械波，声波的测量声波是一种在弹性介质中传播的机械波，声波的测量声波是一种在弹性介质中传播的机械波，声波的测量声波是一种在弹性介质中传播的机械波，声波的测量在定位、探伤、测距等应用中具有十分重要的意义。在定位、探伤、测距等应用中具有十分重要的意义。在定位、探伤、测距等应用中具有十分重要的意义。在定位、探伤、测距等应用中具有十分重要的意义。测量中使用的声波一般是超声波，测量中使用的声波一般是超声波，测量中使用的声波一般是超声波，测量中使用的声波一般是超声波，因为超声波具有较高频率因为

2、超声波具有较高频率因为超声波具有较高频率因为超声波具有较高频率,受低频影响受低频影响受低频影响受低频影响小小小小,可以定向传播的机械波。可以定向传播的机械波。可以定向传播的机械波。可以定向传播的机械波。声波声波声波声波频率超过频率超过频率超过频率超过20kHz20kHz20kHz20kHz的声波称为超声波。的声波称为超声波。的声波称为超声波。的声波称为超声波。频率在频率在频率在频率在20202020HzHz-20kHz-20kHz-20kHz-20kHz的声波称为可闻声波。的声波称为可闻声波。的声波称为可闻声波。的声波称为可闻声波。声波声波声波声波频率频率频率频率低于低于低于低于20Hz20H

3、z20Hz20Hz的声波称为次声波。的声波称为次声波。的声波称为次声波。的声波称为次声波。2一、实验目的一、实验目的 二、实验仪器二、实验仪器三、实验原理三、实验原理 四、实验步骤四、实验步骤五、注意事项五、注意事项 六、问题六、问题主要内容主要内容3一、实验目的一、实验目的1 1 1 1、学习用、学习用、学习用、学习用位相法测量超声波在位相法测量超声波在位相法测量超声波在位相法测量超声波在空气中传播声速空气中传播声速空气中传播声速空气中传播声速2 2 2 2、了解压电换能器的功能、了解压电换能器的功能、了解压电换能器的功能、了解压电换能器的功能3 3 3 3、进一步熟悉示波器的使用进一步熟悉

4、示波器的使用进一步熟悉示波器的使用进一步熟悉示波器的使用4 4 4 4、进一步进一步进一步进一步学习用逐差法处理数据学习用逐差法处理数据学习用逐差法处理数据学习用逐差法处理数据4二、实验仪器二、实验仪器信号发生器、声速测定仪、示波器、温度计信号发生器、声速测定仪、示波器、温度计信号发生器、声速测定仪、示波器、温度计信号发生器、声速测定仪、示波器、温度计5信号发生器信号发生器信号发生器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提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率 6主要部件是两个压电陶瓷换能器和一

5、个游标卡尺主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺 超声声速测定仪超声声速测定仪超声声速测定仪超声声速测定仪 7声速测定仪声速测定仪声速测定仪声速测定仪声速测定仪主要由两只相同的压电陶瓷换能器声速测定仪主要由两只相同的压电陶瓷换能器声速测定仪主要由两只相同的压电陶瓷换能器声速测定仪主要由两只相同的压电陶瓷换能器A A A A和和和和B B B B所组成，压电陶瓷所组成，压电陶瓷所组成，压电陶瓷所组成，压电陶瓷换能器是将声波和电信号相互转换的装置。将换能器是将声波和电信号相互转换的装置。将换能器是将声波和电信号

6、相互转换的装置。将换能器是将声波和电信号相互转换的装置。将A A A A作为超声源，它与低频作为超声源，它与低频作为超声源，它与低频作为超声源，它与低频信号发生器相连接，将电能转化为声能，即从发射头的平面端产生的信号发生器相连接，将电能转化为声能，即从发射头的平面端产生的信号发生器相连接，将电能转化为声能，即从发射头的平面端产生的信号发生器相连接，将电能转化为声能，即从发射头的平面端产生的声波在空气中形成平面纵波；声波在空气中形成平面纵波；声波在空气中形成平面纵波；声波在空气中形成平面纵波；B B B B作为反射面，同时也是接收端，把声能作为反射面，同时也是接收端，把声能作为反射面，同时也是接

7、收端，把声能作为反射面，同时也是接收端，把声能转化为电能，接收端与示波器相连，就可对接收端的声压信号进行观转化为电能，接收端与示波器相连，就可对接收端的声压信号进行观转化为电能，接收端与示波器相连，就可对接收端的声压信号进行观转化为电能，接收端与示波器相连，就可对接收端的声压信号进行观测。测。测。测。A A A A和和和和B B B B间的距离可调，通过仪器上的游标卡尺测定。间的距离可调，通过仪器上的游标卡尺测定。间的距离可调，通过仪器上的游标卡尺测定。间的距离可调，通过仪器上的游标卡尺测定。8示波器示波器示波器示波器 示波器的示波器的示波器的示波器的x,yx,yx,yx,y轴输入各接一个换能

8、器，示波器上显示出李萨如图形轴输入各接一个换能器，示波器上显示出李萨如图形轴输入各接一个换能器，示波器上显示出李萨如图形轴输入各接一个换能器，示波器上显示出李萨如图形 9三、实验原理三、实验原理 超声波在空气中传播速度超声波在空气中传播速度超声波在空气中传播速度超声波在空气中传播速度与其频率与其频率与其频率与其频率f f f f和波长和波长和波长和波长之间之间之间之间有如下关系：有如下关系：有如下关系：有如下关系：ff 超声波频率为声源振动频率，可从低频信号发生器频超声波频率为声源振动频率，可从低频信号发生器频超声波频率为声源振动频率，可从低频信号发生器频超声波频率为声源振动频率，可从低频信号

9、发生器频率显示数据读出。波长是通过率显示数据读出。波长是通过率显示数据读出。波长是通过率显示数据读出。波长是通过李萨如图形李萨如图形李萨如图形李萨如图形来求出来求出来求出来求出,相位差每相位差每相位差每相位差每变化变化变化变化 即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）的直线变为负（正）的直线。的直线变为负（正）的直线。的直线变为负（正）的直线。的直线变为负（正）的直线。101 1、驻波的产生、驻波的产生、驻波的产生、驻波的产生驻波驻波驻波驻波：

10、频率相同、振幅相同和振动方向相同而传播方向相反的两列波在：频率相同、振幅相同和振动方向相同而传播方向相反的两列波在：频率相同、振幅相同和振动方向相同而传播方向相反的两列波在：频率相同、振幅相同和振动方向相同而传播方向相反的两列波在同一直线上叠加形成的波。同一直线上叠加形成的波。同一直线上叠加形成的波。同一直线上叠加形成的波。驻波某些点的振动始终加强，其振幅是两列行波的振幅之和，这些点称驻波某些点的振动始终加强，其振幅是两列行波的振幅之和，这些点称驻波某些点的振动始终加强，其振幅是两列行波的振幅之和，这些点称驻波某些点的振动始终加强，其振幅是两列行波的振幅之和，这些点称为为为为波腹波腹波腹波腹；

11、而另一些点的合振幅为零，这些点称为；而另一些点的合振幅为零，这些点称为；而另一些点的合振幅为零，这些点称为；而另一些点的合振幅为零，这些点称为波节波节波节波节。相邻两波节或两。相邻两波节或两。相邻两波节或两。相邻两波节或两波腹间的距离就是波腹间的距离就是波腹间的距离就是波腹间的距离就是半个波长半个波长半个波长半个波长。S1S2波节波腹/2图中图中图中图中S1S1S1S1和和和和S2S2S2S2之间的距离为之间的距离为之间的距离为之间的距离为n n n n/2/2/2/2时才能形成驻波。时才能形成驻波。时才能形成驻波。时才能形成驻波。11入射波振动方程入射波振动方程入射波振动方程入射波振动方程反

12、射波振动方程反射波振动方程反射波振动方程反射波振动方程合成波为合成波为合成波为合成波为对应于对应于对应于对应于 的各点为波腹的各点为波腹的各点为波腹的各点为波腹,对应于对应于对应于对应于 的各点为波节的各点为波节的各点为波节的各点为波节,由上式知相邻波腹或者波节之间的距离为半波长由上式知相邻波腹或者波节之间的距离为半波长由上式知相邻波腹或者波节之间的距离为半波长由上式知相邻波腹或者波节之间的距离为半波长12驻波场中空气质点位移图像不能直接观察到，但是由质点位移引起的声驻波场中空气质点位移图像不能直接观察到，但是由质点位移引起的声驻波场中空气质点位移图像不能直接观察到，但是由质点位移引起的声驻波

13、场中空气质点位移图像不能直接观察到，但是由质点位移引起的声压却可以通过仪器加以观测。压却可以通过仪器加以观测。压却可以通过仪器加以观测。压却可以通过仪器加以观测。声压声压声压声压就是空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强，根就是空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强，根就是空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强，根就是空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强，根据声学理论，声压驻波可表示为据声学理论，声压驻波可表示为据声学理论，声压驻波可表示为据声学理论，声压驻波可表示为其中其中其中其中0 0 0 0为空气的静态密度。为空气的静态密度。为空

14、气的静态密度。为空气的静态密度。k=2 k=2 k=2 k=2/为波数为波数为波数为波数,l,l,l,l为发射换能器与接受换能为发射换能器与接受换能为发射换能器与接受换能为发射换能器与接受换能器的距离器的距离器的距离器的距离.通过比较发现，声场中空气质点为波腹的地方，声压为波节；而通过比较发现，声场中空气质点为波腹的地方，声压为波节；而通过比较发现，声场中空气质点为波腹的地方，声压为波节；而通过比较发现，声场中空气质点为波腹的地方，声压为波节；而声场中声场中声场中声场中空空空空气质点位移为波节的地方，声压为波腹。气质点位移为波节的地方，声压为波腹。气质点位移为波节的地方，声压为波腹。气质点位移

15、为波节的地方，声压为波腹。压力压力位移位移压力压力位移位移xyo13形成驻波后的反射面处形成驻波后的反射面处形成驻波后的反射面处形成驻波后的反射面处(x=l)(x=l)(x=l)(x=l)，空气质点的位移恒为零，此处的声压恒为，空气质点的位移恒为零，此处的声压恒为，空气质点的位移恒为零，此处的声压恒为，空气质点的位移恒为零，此处的声压恒为波腹，声压振幅为波腹，声压振幅为波腹，声压振幅为波腹，声压振幅为当声波与反射面之间的距离当声波与反射面之间的距离当声波与反射面之间的距离当声波与反射面之间的距离l l l l改变时，反射面处的声压振幅也随之改变，其改变时，反射面处的声压振幅也随之改变，其改变时

16、，反射面处的声压振幅也随之改变，其改变时，反射面处的声压振幅也随之改变，其数值在极大值与极小值间数值在极大值与极小值间数值在极大值与极小值间数值在极大值与极小值间周期变化周期变化周期变化周期变化，满足，满足，满足，满足反射处声压振幅的大小可通过示波器观测到，反射处声压振幅的大小可通过示波器观测到，反射处声压振幅的大小可通过示波器观测到，反射处声压振幅的大小可通过示波器观测到，随随随随l l l l周期性变化可以从周期性变化可以从周期性变化可以从周期性变化可以从示波器上观察。示波器上观察。示波器上观察。示波器上观察。142 2、相位法测声速的原理、相位法测声速的原理、相位法测声速的原理、相位法测

17、声速的原理李萨如图形：李萨如图形：李萨如图形：李萨如图形：由两个相互垂直的简谐振动叠加形成。由两个相互垂直的简谐振动叠加形成。由两个相互垂直的简谐振动叠加形成。由两个相互垂直的简谐振动叠加形成。相位法相位法相位法相位法是指比较发射换能器声压是指比较发射换能器声压是指比较发射换能器声压是指比较发射换能器声压p(0)p(0)p(0)p(0)与接收换能器反射处的声压与接收换能器反射处的声压与接收换能器反射处的声压与接收换能器反射处的声压p(l)p(l)p(l)p(l)的位的位的位的位相来测定声速的方法。相来测定声速的方法。相来测定声速的方法。相来测定声速的方法。p(l)p(l)p(l)p(l)的位相

18、总比的位相总比的位相总比的位相总比p(0)p(0)p(0)p(0)的位相落后的位相落后的位相落后的位相落后klklklkl，分别将声源和反射处的声信号转换成，分别将声源和反射处的声信号转换成，分别将声源和反射处的声信号转换成，分别将声源和反射处的声信号转换成电压信号后接到示波器的电压信号后接到示波器的电压信号后接到示波器的电压信号后接到示波器的x x x x轴和轴和轴和轴和y y y y轴上去，可以看到李萨如图形。轴上去，可以看到李萨如图形。轴上去，可以看到李萨如图形。轴上去，可以看到李萨如图形。实验中由于输入示波器的是频率严格一致的两个信号，因此李萨如图形般是实验中由于输入示波器的是频率严格

19、一致的两个信号，因此李萨如图形般是实验中由于输入示波器的是频率严格一致的两个信号，因此李萨如图形般是实验中由于输入示波器的是频率严格一致的两个信号，因此李萨如图形般是一稳定的椭圆。当相位差为一稳定的椭圆。当相位差为一稳定的椭圆。当相位差为一稳定的椭圆。当相位差为0 0 0 0或或或或时，椭圆变为倾斜的直线。测量时选择判时，椭圆变为倾斜的直线。测量时选择判时，椭圆变为倾斜的直线。测量时选择判时，椭圆变为倾斜的直线。测量时选择判断比较灵敏的直线形进行测量。以某一个直线位置作为测量的起点，相位差断比较灵敏的直线形进行测量。以某一个直线位置作为测量的起点，相位差断比较灵敏的直线形进行测量。以某一个直线

20、位置作为测量的起点，相位差断比较灵敏的直线形进行测量。以某一个直线位置作为测量的起点，相位差每变化每变化每变化每变化即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）的直线变为即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）的直线变为即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）的直线变为即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）的直线变为负（正）的直线。负（正）的直线。负（正）的直线。负（正）的直线。15声波在弹性介质中传播的速度不仅由介质的物理性质决定，而且还与温度声波在弹性介质中传播的速度不仅由介质的物理性质决定，而且还与温度声波在弹性介质中传播的速度不仅由介质的物理性质决定，而且

21、还与温度声波在弹性介质中传播的速度不仅由介质的物理性质决定，而且还与温度有密切关系。声波在有密切关系。声波在有密切关系。声波在有密切关系。声波在理想气体中的传播速度为理想气体中的传播速度为理想气体中的传播速度为理想气体中的传播速度为：-比热容比，比热容比，比热容比，比热容比，R-R-R-R-摩尔气体常数，摩尔气体常数，摩尔气体常数，摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质量，空气分子的摩尔质量，空气分子的摩尔质量，空气分子的摩尔质量，T-T-T-T-绝对温度绝对温度绝对温度绝对温度在标准状态下，在标准状态下，在标准状态下，在标准状态下，0 0 0 0o o o oC C C C时，声速为时，声速为时，

22、声速为时，声速为v v v vo o o o331.45m331.45m331.45m331.45ms s s s，显然在，显然在，显然在，显然在t t t t时，时，时，时，干燥空气中干燥空气中干燥空气中干燥空气中声速的理论值应为声速的理论值应为声速的理论值应为声速的理论值应为:在温度为在温度为在温度为在温度为t t t t,相对湿度为相对湿度为相对湿度为相对湿度为r r r r的空气中声速为的空气中声速为的空气中声速为的空气中声速为:16四、实验步骤四、实验步骤1 1 1 1、按图示接好线路、按图示接好线路、按图示接好线路、按图示接好线路172 2 2 2、调节两换能器端面平行且铅直，然后

23、锁定。、调节两换能器端面平行且铅直，然后锁定。、调节两换能器端面平行且铅直，然后锁定。、调节两换能器端面平行且铅直，然后锁定。3 3 3 3、调节谐振频率、调节谐振频率、调节谐振频率、调节谐振频率调节两换能器间有适当距离，改变信号发生器的频率（调节两换能器间有适当距离，改变信号发生器的频率（调节两换能器间有适当距离，改变信号发生器的频率（调节两换能器间有适当距离，改变信号发生器的频率（20-20-20-20-40KHZ40KHZ40KHZ40KHZ），使示波器上出现最大振幅，换能器工作在谐振状），使示波器上出现最大振幅，换能器工作在谐振状），使示波器上出现最大振幅，换能器工作在谐振状），使示波

24、器上出现最大振幅，换能器工作在谐振状态，信号发生器所显示的频率即换能器的谐振频率态，信号发生器所显示的频率即换能器的谐振频率态，信号发生器所显示的频率即换能器的谐振频率态，信号发生器所显示的频率即换能器的谐振频率f f f f。在此。在此。在此。在此谐振频率谐振频率谐振频率谐振频率f f f f下测波长，可以提高测量灵敏度。下测波长，可以提高测量灵敏度。下测波长，可以提高测量灵敏度。下测波长，可以提高测量灵敏度。184 4 4 4、改变发射头与接收头之间的距离，由近而远，观察示波器，可、改变发射头与接收头之间的距离，由近而远，观察示波器，可、改变发射头与接收头之间的距离，由近而远，观察示波器，

25、可、改变发射头与接收头之间的距离，由近而远，观察示波器，可 看到示波器上显示的李萨如图形发生周期变化看到示波器上显示的李萨如图形发生周期变化看到示波器上显示的李萨如图形发生周期变化看到示波器上显示的李萨如图形发生周期变化.以某一个直线位置以某一个直线位置以某一个直线位置以某一个直线位置作为测量的起点，相位差每变化作为测量的起点，相位差每变化作为测量的起点，相位差每变化作为测量的起点，相位差每变化即距离变化半个波长时，李萨如即距离变化半个波长时，李萨如即距离变化半个波长时，李萨如即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）的直线变为负（正）的直线。即发射头与接图形从斜率为正（负）的直线变为负

26、（正）的直线。即发射头与接图形从斜率为正（负）的直线变为负（正）的直线。即发射头与接图形从斜率为正（负）的直线变为负（正）的直线。即发射头与接收头之间距离的改变量为收头之间距离的改变量为收头之间距离的改变量为收头之间距离的改变量为/2/2/2/2。5 5 5 5、用逐差法处理数据，求出、用逐差法处理数据，求出、用逐差法处理数据，求出、用逐差法处理数据，求出，计算出声速，计算出声速，计算出声速，计算出声速。6 6 6 6、记下室温、记下室温、记下室温、记下室温t t t t和相对湿度和相对湿度和相对湿度和相对湿度r r r r，计算相应的理论值。，计算相应的理论值。，计算相应的理论值。，计算相应

27、的理论值。7 7 7 7、计算声速、计算声速、计算声速、计算声速的相对误差。的相对误差。的相对误差。的相对误差。19五、注意事项五、注意事项 1 1 1 1、信号发射器的信号输出幅度不宜超过、信号发射器的信号输出幅度不宜超过、信号发射器的信号输出幅度不宜超过、信号发射器的信号输出幅度不宜超过15V15V15V15V，避免仪器过热而损坏。，避免仪器过热而损坏。，避免仪器过热而损坏。，避免仪器过热而损坏。2 2 2 2、换能器发射面和接受面要保持相互平行。、换能器发射面和接受面要保持相互平行。、换能器发射面和接受面要保持相互平行。、换能器发射面和接受面要保持相互平行。3 3 3 3、初始时、初始时

28、、初始时、初始时,发射换能器与接收换能器的距离不能太近发射换能器与接收换能器的距离不能太近发射换能器与接收换能器的距离不能太近发射换能器与接收换能器的距离不能太近,一般一般一般一般5-6cm5-6cm5-6cm5-6cm。4 4 4 4、使用游标尺测量移动距离时，手勿压游标尺。、使用游标尺测量移动距离时，手勿压游标尺。、使用游标尺测量移动距离时，手勿压游标尺。、使用游标尺测量移动距离时，手勿压游标尺。20六、问题六、问题1 1 1 1、实验过程中频率计上显示的频率不断变化、实验过程中频率计上显示的频率不断变化、实验过程中频率计上显示的频率不断变化、实验过程中频率计上显示的频率不断变化,有减小的趋势有减小的趋势有减小的趋势有减小的趋势,原因原因原因原因?2 2、没有在谐振频率上测量。、没有在谐振频率上测量。、没有在谐振频率上测量。、没有在谐振频率上测量。21