大学物理实验超声波速测量实验报告文档格式.docx
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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(<20Hz)、声波(20Hz≤≤20kHz)、超声波(>
20kHz)和特超声波(≥10MHz),如下图。
为位移的波节。
改变接收器与发射源之间的距离,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,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、传播时间之间有如下关系:
同时有:
(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
当时,得。
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:
(4)
极小值:
(5)
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:
(6)
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
(一):
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,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值,再测得实验室当时的气压值p,(干燥天气可不必测量和p)(详见参考资料1和3),则可由式(3)求出声速值。
4、将上述两种方法的测量结果比较,计算相对偏差。
选做实验:
(设计性实验)
(二)声波的双缝干涉
用图1所示双缝装置来做干涉实验。
实验须满足公式(4)和公式(5)条件。
为了减少由于两个缝处的衍射所引起的复杂性。
简单的办法是每个缝宽度均小于1个波长(约8-9mm为一个波长),缝宽仅2-3mm,而两个缝相隔为几个波长,(实际使用双缝间距约为3倍波长)。
这时,测量出主极大,次极大和极小值的位置。
要观察更多极大值和极小值位置,须将固定螺丝卸下,放好后。
转动更大角度观察到。
(三)声波的单缝衍射
用图2所示双缝装置来做观察声波的单缝衍射实验(注意卸下固定螺丝必须保管好)。
体会声波衍射的物理含义。
将转动紧固螺丝卸下(注意螺丝和螺帽不能掉)放在纸盒内。
将接收器绕轴心转动,可以观察接收信号在不同角位置时强度的变化,由公式(6)可估算一级极小值的角度。
可以在满足公式(6)的条件下,观测到一级极小值。
估算一下衍射是否与理论值一致,转动更大角度时,可观测到一级极大值。
四、使用注意事项
1、仪器与装置连接的电缆线,不宜多拆、多接。
角度固定螺丝也不宜让学生经常卸下。
最佳方案是配一套公用“声速测量综合实验仪”。
让学生学习接拆同轴电缆接头,以及观测大角度时双缝干涉和单缝衍射,并备1个大量角器。
2、数显游标卡尺使用时,应轻轻移动,移动时速度须慢而均匀。
实验结束时,应将数显部分电源关闭。
3、搬动仪器时,不能将数显游标卡尺当手柄使用。
应两手拿底板搬动装置。
4、平时,不做实验时,应用防尘罩(或布)防尘,以避免灰尘进入换能器。
五、思考与讨论
1、声波与光波、微波有何区别?
2、为何在声波形成驻波时,在波节位置声压最大,因而接收器输出信号最大?
3、在什么条件下,声波传播中的压缩与稀疏不是绝热过程?
这对声速测量结果有何影响?
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