实验报告声速测量.docx

实验报告声速测量.docx

《实验报告声速测量.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验报告声速测量.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

实验报告声速测量

/NankaiUniversity

实验报告：

声速的测量

实验报告声速的测量

实验项目】

1.用共振干涉法测量空气中的声速

2•用相位比较法测量空气中的声速

3•时差法测量介质中的声速；

4•用反射法测量挡板的距离

实验仪器】

声速测量仪、FD-SV-D超声波测距综合试验仪、示波器

实验原理】

由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。

在超声波段进行声速测量的优

点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。

超声波的发射和接收一般通

过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应

来实现的。

本实验采用的是压电陶瓷制成的换能器（探头），这种压电陶瓷可以在机械振动

与交流电压之间双向换能。

声波的传播速度v与其频率和波长的关系为：

■二vf

（1）

由

（1）式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。

同样，传播速度亦可用

v二L/t②

表示，若测得声波传播所经过的距离L和传播时间t，也可获得声速。

1.共振干涉法

实验装置如图1所示，图中S1和S2为压电晶体换能器，S1作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近

似的平面声波；S2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。

当S1和S2的

表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即

L=n12n=0,1,2,••…（3）

时，S1发出的声波与其反射声波的相位在S1处差2n7：

（n=1,2••…）,因此形成共振。

因为接收器S2的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。

本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。

从示波器上观察

到的电信号幅值也是极大值（参见图2）。

图中各极大之间的距离均为12,由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐

渐减小。

我们只要测出各极大值对应的接收器S2的位置，就可测出波长。

由信号源读出超

2.相位比较法波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。

沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍。

利用这个原理，可以精确的测量波长。

实验装置如图1所示，沿波的传播方向移动接收器S2,接收到的信号再次与发射器的位相相同时，一国的距离等于与声波的波长。

同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。

实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号

它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信号的位相差有关，当两信

号之间的位相差为0或n时，椭圆变成倾斜的直线。

位相差「和角频率•，、传播时间t之间有如下关系：

=1

一2TT

同时有，午,t=l/v,•二Tv,（式中T为周期）

代入上式得：

=岂

当1=^25=1，2,3，…）时，可得僅n二。

由上式可知：

当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的位相差也正

好变化一个周期（即①=2n）。

实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。

当相位差改变n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。

3.时差法

用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。

由信号源提供一个脉冲信号。

经t时间到

达L处的接收器，根据关系v=L/t,即可计算出声速。

4.超声测距

用反射法，就要求使用接收器与发射器在同一位置，利用公式：

L=vt=vT/2

T为发射到接收的时间差。

实验步骤】

1.共振干涉法

打开实验仪与示波器

实验仪调整为相位测量模式。

信号源：

一接口接超声发生器、一接口接示波器的1通道（CH1）

信号接收放大：

输入端接超声接收器、输出端接示波器的2通道（CH2）观察CH2的信号，按下POSITION，使得信号置中。

界面上显示有频率值，记下该频率值f。

只显示CH2的信号，界面上显示有CH2的最大电压值。

调节游标尺，使得读数归零。

将游标尺调节到最近的位置，获得最大的信号电压值，记下此处的位置。

继续移动游标尺，每到一个信号电压最大处，记录位置，总共记录20个位置。

使用逐差法，获得半波长，进而获得声速。

2.相位比较法

仍旧使用相位测量模式，游标尺归零

显示CH1、CH2,按下DISPLAY,将模式调节为XY模式，此时显示李萨如图形游标尺开始移动。

每到一处李萨如图形为一斜线，就记录一次位置。

使用逐差法，获得半波长，进而获得声速。

3•时差法

切换为时差法测量模式。

连续移动接收端游标尺，记录接收端的位置L,同时记录主机液晶屏上显示的时间t，取多

个数据，进行处理。

绘制直线，斜率就是所测声速V。

4•反射法测量挡板距离。

将利用磁钢将挡板吸附在移动接收端之前。

将游标尺上的接收端的接口拔出，换到发生器一侧的接收接口。

进入超声波测距模式，移动挡板，同时记录挡板位置L与液晶屏上的显示距离I,比较两者的数值。

实验数据】

频率：

f=40.0001kHz

1.共振干涉法

接收序号i

Li/mm

接收序号i

Li/mm

deltaLi/mm

平均差值/mm

1

1.68

11

45.60

43.92

44.30

2

4.73

12

49.81

45.08

3

10.11

13

54.31

44.20

4

15.00

14

58.69

43.69

5

18.57

15

63.31

44.74

6

22.65

16

67.58

44.93

7

28.12

17

71.95

43.83

8

32.45

18

76.64

44.19

9

36.71

19

81.18

44.47

10

41.26

20

85.16

43.90

平均波长：

「=44.30-=8.860mm

5

声速：

v=40.00018.860=354.4m/s

2•相位比较法

接收序号i

Li/mm

接收序号i

Li/mm

deltaLi/mm

平均差值/mm

1

32.67

11

76.68

44.01

43.80

2

37.21

12

81.01

43.80

3

41.65

13

85.39

43.74

4

46.00

14

89.73

43.73

5

50.41

15

94.05

43.64

6

54.77

16

98.48

43.71

7

59.21

17

102.88

43.67

8

63.60

18

107.31

43.71

9

67.87

19

111.59

43.72

10

72.15

20

116.45

44.30

1

平均波长：

■=43.80-=8.760mm

5

声速:

v=40.00018.760=350.4m/s

3•时差法

斜率v=0.3504mm/ys=350.4m/s

4•用反射法超声测距

L/mm

0.00

10.04

20.09

29.97

39.97

50.13

60.13

70.10

80.01

l/mm

3

11

11

20

30

40

51

59

58

L/mm

90.06

100.09

110.02

120.14

130.23

140.04

150.02

160.00

170.08

l/mm

78

97

105

113

122

133

145

162

172

注意事项】

1•由于超声信号比较强，在实验时注意间隔，避免互相干扰

2•游标卡尺要缓慢平稳操作，不要迅速移动

防止磨损过快