超声波在液体中相速与群速的测量.docVIP

西安工程大学 ——超声波在液体中相速与群速测量实验报告 学院：理学院 专业班级：2012级应用物理系一班 姓名：李旭 学号：41208020108 同组者：邓逸飞、冯凯强 指导老师：王秋萍 实验目的 了解什么是相速和群速 了解测量相速、群速的重要意义 测量超声波在不通液体介质中的速度 实验原理 相速与群速的定义及关系 如图： 设有一个频率为ω的振动波y=A·cos(ω·t-k·x),k=2π/λ其传播方式由A到B。由图可知，A和B是同相的，则波由A传播到B的速度定义为相速。 然而在实际中波的传播往往是由几种频率的成分所组合的波即波包的传播，在合成的波包上确定某一点的传播速度为群速 群速和相速的关系： 实验过程 实验原理：信号发生器推动超声波发射探头输出超声波，超声接受探头平行放在正对面，超声波从发射探头沿液体介质传播到接收探头，移动接收探头的位置，可以改变超声波在两个探头之间的距离，把发射信号与接收信号分别输入双踪示波器的两个通道，对信号进行观察和分析。输出方式用功能按钮进行切换，分别用来测量相速和群速 相速的测量：选择水，氯化钠溶液，甘油（丙三醇）三种溶液，当信号发生器输出正弦波时，示波器显示如图： 在发射器和接收器之间距离有l的改变，接收信号的相位相对应与发射端为： 当l等于的整数倍时，则=,，整理以上公式得：只要测出的关系，做出图形，它的波长可以从图形的斜率得出，当信号的频率已知，那么相速可以由以下公式得出： 群速的测量：同样采用以上三种液体，信号改为脉冲输出，由傅氏分析可知：脉冲是由基频与多次谐频的信号组成，是多种频率信号的组合信号，从示波器上显示如图：从图可以清楚的看到波包以及对脉冲信号的延迟时间为t，移动接收探头，改变，用示波器测量出延迟时间根据群速的定义：作出特性曲线，其斜率即为群速。 拓展实验： 猜想：在相速实验中，给水中加入障碍物，那么得到的波形如何变化？ Plan A：用同一障碍物自发射探头移动至接收探头过程中，示波器显示变化并不明显！ 分析：只是由于障碍物阻挡了声波的传播！声波发生衍射，所以会看到波形较正常情况下波峰降低！移动障碍物，波形发生如同相速实验一般的周期性变化！时间原因周期变化长短未测量！ Plan B：用不同尺寸的障碍物在同一位置遮挡！改变障碍物的尺寸，从波形可以看出！障碍物尺寸越大！波峰越小！反之越大 分析：由于波的波长是一定的！在遇到不同尺寸的障碍物！发生的衍射程度是不一样的！即：跨越障碍物的能力是不一样的！所以引起了波峰发生了规律性变化！ 实验数据 相速： 水 n L(cm) △L λ/2(cm) 0 9 10 9.99 0.99 0.180 20 10.99 1.99 0.174 30 12.09 3.09 0.190 40 13.02 4.02 0.177 50 14.1 5.1 0.178 60 15 6 0.182 甘油 n L(cm) △L λ(cm) 0 9 10 10.92 1.92 0.192 20 12.67 3.67 0.1835 30 14.4 5.4 0.18 40 16.3 7.3 0.1825 50 18.11 9.11 0.1822 60 19.94 10.94 0.1823 群速： 水 T(us) L(cm) △t △l 40 19 30 17.4 10 1.6 实验数据计算 实验前设置频率为800hz 水中 甘油中 相速，水中： 甘油中： 群速，水中： 实验感悟 通过此次实践！学会了如何使用示波器！本来面对这个实验！根本无从下手！经过一番调试！示波器上终于有了波形！一开始不知道n代表什么意思！多次失败！终于确定是波长的倍数！三个人团结协作！才使得这个实验顺利完成！感谢其它两名组员的付出！ 超声波在液体中的相速与群速测量实验 实 验 报 告 姓名：李旭 班级：应用物理一班 学号：41208020108