[小学]超声波在空气中的传播速度预习

[小学]超声波在空气中的传播速度预习 实验预习 【实验目的】 1. 熟练掌握用共振干涉法和相位比较法测量超声波在空气中传播速度。 2. 学会运用逐差法处理测量数据。 【实验原理】 我们知道，声波在空气中的传播速度v与其频率f和波长λ的关系为 ν=f?λ (13.1) 那么,如果测得声波的频率f和波长λ，就可以求出声波速度v，在本实验中,声波频率f可直接由超声信号源显示的数值读出，所以我们的主要任务就是测出声波的波长λ。 1. 共振干涉法(驻波法) 实验装置如图13.3所示，图上S和S分别表示两只超声压电转换器，12 S为发射器，当它被超声信号源的电信号激励后由于逆压电效应发生受迫振1 动，振动频率与电信号激励频率相同，并向周围空气定向发出一近似平面波。S为超声接收转能器，它受迫振动后产生压电效应输出电信号，电信号的频2 率与超声波的振动频率相同。 VERT MODE SBZ-A信号源 CH1 X-Y (OFF) 34562 Hz 频率调节 开关 输出 粗调 细调 CH1 CH2 CS4125 图13.3 共振干涉法(行波法)测量原理图 图13.3 干涉法(驻波法)测量原理图 当S和S两个端面互相平行时，超声波从S传至S端面将被反射，产1212 生干涉，形成驻波。 当 ,L,n (n=0,1,2,„„) (13.2)2 振幅为极大值，产生共振，这时接收器S收到的声压为极大值，经过压电效2 ,应转换后的电信号输出也为极大值，而相邻两极大值之间的距离均为/2. 在实验过程中，由于各种损耗，各极大值会随着L的增大而逐渐减小， ,我们只要测出接收转能器 S在各个相邻极大值的位置，即可求得波长。2 用游标卡尺依次测出16个极大值的位置，并用逐差法处理数据: ,8 ,L,L,L,，1912 „„ ,8,L,L,L,， 81682 由 1,8，， ,L,,L，,L，？，,L,， (13.3)12882 得 1,,L，,L，？，,L，，, (13.4)12832 2. 相位比较法(行波法) 实验装置如图13.4所示。声波输出源与接收点存在着相位差，这相位差我们可以通过比较发射换能器的激励信号与接收换能器输出电信号的相位关系得出。 ,当接收点与发射点的距离变化等于一个波时，接收点输出的信号与波源的相差也正好变化一个周期，即 ,,,2π SBZ-A信号源 X-Y (ON) 34562 Hz 频率调节 开关 输出 粗调 细调 CH1 CH2 图13.4 相位比较法(行波法)测量原理图 ,=0 /2 3 /2 2 图13.5 几种相位差时的李萨如图形 判别相位差本实验利用李萨如图形。将接收器S输出的信号加在示波器的Y2 接口(CH1接口)，超声信号源输出的信号加在示波器的X接口(CH2接口)，当相位差是 ,,=2,(n=0,1,2,„„) (13.5) 李萨如图形为一倾斜的直线。 具有不同相位差的X、Y轴输入构成的李萨如图形如图13.5所示。如果移动接收换能器,观察每反相一次(即Δ,=,)S的位置，即可用相邻两个S22的位置之差得出其对应的半个波长,/2。 与共振干涉法相类似，测出16个相应数据，并用逐差法处理之。 【实验内容和步骤】 ,1. 干涉法测 ? 按图13.3接好线路,注意信号源“+”输出线的红色插头与测速仪S1的红色插孔相接,黑色插头与黑色插孔相接,接收换能器S的输出信号接到示2 波器的Y接口(CH1接口)。 ? 调整超声声速仪S固定环上的紧固螺钉，使S的端面与卡尺垂直，11 再调节S端面，使其与S端面平行，并位于距S端面30—50mm处。211 ? 接通示波器预热，将示波器的Y轴灵敏度和扫描灵敏度旋钮调节在适当档位，X—Y按键打在“OFF”位置。(示波器的其他旋钮的使用请参考实验三)。 ? 将超声信号源的频率“粗调”旋钮反时针旋至最左边，“细调”旋钮旋至中间位置。接通超声信号源电源，则超声信号源屏上有输出频率显示。顺时针细心旋转频率“粗调”旋钮并同时观察示波器荧光屏，使S的输出尽2量大，这时串联在回路中的信号灯发亮(无信号灯的测速仪只观察示波器的荧光屏)，再左右调整频率“细调”旋钮使S输出的信号达到最大值，这时2 换能器处于谐振动工作状态，一般情况下，这时信号灯最亮。 ? 利用游标卡尺上的微动螺丝仔细移动长尺游标以改变S的位置，并2在示波器上观察信号的大小，找出S输出最大值的位置记下这时卡尺的读数，2 再利用游标卡尺上的微动螺丝移动游标卡尺，逐渐加大S与S之间的距离，12同时监视S的输出在示波器荧光屏上显示的波形，依次把信号每出现一次最2 大值时，游标卡尺上的读数读出数据，共测16次最大值。 当示波器荧光屏上每次显示信号最大值(即波形峰—峰值)逐渐减小到<3div时,可改变示波Y轴的灵敏度,以便于准确找到最大值的位置. ? 记录环境温度t及超声波频率f，对测量数据进行处理，求出超声波 t,331.41，,,理的声速 ，并与理论值相比较，求出相对误差测273.15 ,,,,,理测测E,，100%,，100% ,,理理 得出测量值 ,,,,,, 测测 ,2. 相位法测 ? 按图13.4接好连线,除将超声信号源“地接口”的信号接到示波器的X接口(CH2接口)外，其他接线方式与干涉法相同。 ? 把示波器的X—Y按键打到“ON”的位置。 ? 调S端面，使其与S端面相距30—50mm。 21 ? 利用游标卡尺的微动螺丝移动游标以改变S的值，在示波器上观察2 李萨如图形的变化情况，找出X、Y轴输入信号相位差ΔΦ=, 时S的位置，2这时图形为一条倾斜直线如图13.5所示，记录游标所在位置的读数。再利用游标长尺上的微动螺丝移动游标，依次逐渐增大S与S之间的距离并观察21 示波器上李萨如图形的变化，当相位差每变化π时，李萨如图形均为一斜直线，如图13.5所示，共测16个数据。 ? 记下室温t、超声波频率f，类似干涉法的数据处理方法计算出Δ 、 、E和 = ? 测理测理 。 【注意事项】 1(测量时应使用螺柄使S移动。 2 2(当使用液体为介质测声速时，应避免液体接触到其他金属件和容栅数显尺上， 以免损坏仪器。 3(使用时，应避免信号源的信号输出端短路。 4(用时差法测量时，S和S之间的距离要约大于10 cm开始测量。12