超声波测声速实验报告.docx

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1、西安交通大学大学物理仿真实验实验报告声速的测量姓名：林丽学号：2120505028学院：电信学院班级：计算机22班一、实验目的1 .了解超声波的产生、发射和接收的方法；2 .用驻波法和相位比较法测声速。二、实验仪器1 .超声声速测定仪：主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。2 .函数信号发生器：提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率。3 .示波器：示波器的x,y轴输入各接一个换能器，改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的李萨如图形。并由此可测得当前频率下声波的波长，结合频率，可以求得空气中的声速。三、实验原理由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：V=f,只要知道频率和波长就可

2、以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器,信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法(共振干涉法)和行波法(相位比较法)测量。下图是超声波测声速实验装置图。1 图1实验装置和接线图2 .驻波法测波长由声源发出的平面波经前方的平面反射后,入射波与发射波叠加,它们波动方程分别是:y1=Acos2(fty2=Acos2(ft+叠加后合成波为：y=(2Acos2-)cos2ftcos2tt：=1的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：x=n(n=0,1z2z3):A2cos2tt：=0的各点振幅最小，称为波节，对应的位置:X=(2n+1)；(n=0,1,2,3)。入4因此，只要测得相邻两

3、波腹(或波节)的位置Xn、Xn+即可得波长。3 .相位比较法测波长从换能器S1发出的超声波到达接收器S2,所以在同一时刻S1与Sz处的波有一相位差:=2(其中是波长，X为S1和S2之间距离)o因为X改变一个波长时，相位差就改变2po利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。四、实验步骤1.连接仪器。按照图1连接好仪器，使用前开机预热IOmirb自动工作在连续被方式，选择的介质为空气，观察S1和S?是否平行。驻波法图2接线截图2.测信号源的输出频率f。将示波器调整为y-t模式,观察到正弦信号的波形,使SI和S2间的距离约为5cm；调节信号发射强度，波幅为5V,在350(IoOMHZ)附近调节频率，同

4、时观察波形,使信号幅度最大，此时频率为329(100MHz),即为本系统的谐振频率。3.驻波法测波长和声速。向右缓慢移动S2,观察示波器正弦信号的变化，选择信号最大位置开始读数,记为Xi，(i=10,用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率fo计算声波波速和误差。用相位比较法测波长和声速。将示波器调整为X-Y工作方式。观察示波器出现的李萨如图形，缓慢移动S2,当重夏出现该图形时，说明相位变化了2Ji,即SI和S2之间移动了一个波长。沿右连续测量10个周期，用逐差法处理数据，求出波长、声速及误差。李萨如图形，丁(J，图6图7=5图10=2五、数据记录及处理1 .基础数据记录谐振频率f0=33.5

5、kHz2 .驻波法测声速表1驻波法测量声速数据i1i(cm)i+61i.6(Cm)=(11+6-1i)3(cm)19.062712.2341.05729.576812.7761.067310.124913.3141.063410.6501013.8221.057511.1801114.3541.058611.7021214.8441.047_16入的平均值：=X2j=1.0582(cm)6=的不确定度：Z(4_几)2S,=-=0.002(cm)/(/-1)因为，i=(1i+6-ii)/3,u=0.02mm2所以，u=-=u=0.000544(cm)33=yjS2+u2=0.021(mm)计算声

6、速：u=f=354.50(ms)f=O.2(kHz)计算不确定度：3=yJ(f)2+(f)2=3(Vs)实验结果表示：=(3543)ms,Ev=0.8%3.相位比较法测声速表2相位比较法测量声速数据（相位变换2）jIi(cm)i+71i+7(cm)j=(1i+7-1i)7(cm)谐振频率18.162815.9261.10929.282917.0501.1103104001018.2201.107f=32.0kHz411.5121119.2061.099512.6001220.2901.099613.7221321.4601.105714.8321422.5321.100_17入的平均值：=-=

7、1.1041(cm)7i=入的不确定度：1(A-)2S2=1-=0.002(cm)KZ-D因为，入i=(1.7-1i)/7,u=0.02mm行所以，u.=-fy=0.000233(cm)73仅(7=yS2+u2=0.020(mm)计算声速：U=f=353.31(ms)f=伫上=0.2(kHz)计算不确定度：31,=y(f2)2+(Af)2=3(nVs)实验结果表示：=(3533)ms,B=0.8%六、误差分析1 .由于使用软件虚拟操作，应该不会出现一些读数的误差，操作上也应该没有什么问题；2 .由于6月9日无法登陆大物实验中心和大厅，所以数据并没有从软件上得到，我只有参考了一些网络上的数据。七、实验建议1. 虚拟实验的软件有很多地方还可以优化一下，如添加一个最小化按钮，调整一下，使之支持64位的操作系统等。2. 实验的原理可以写得详细一些，由于有些知识没有学习，很大部分的实验原理都看不懂，知识照着实验指导上的步骤去做而已。八、思考题1 .准确测量谐振频率的目的是什么？答：在谐振频率时，波形最稳定，能够观察读数。准确测量数值，以便于调整。2 .若固定两换能传感器之间的距离,改变频率,能否测量出声速?为什么？能。因为V=f,已知频率f,而且波长人也能通过示波器图像读出，所以可以用驻波法测量出声速。