利用模拟示波器测声速北航物理研究性实验报告讲述.doc

北航物理研究性实验报告 利用模拟示波器测量声速 作者： 学号：  目录 摘要 １ 1.模拟示波器简介 １ 1)模拟示波器结构 １ 2）工作原理 ２ 3）李萨如图形 ３ 4）模拟示波器的特点 ４ 2.声速的测量 ４ 1)测量原理 ４ 2）振幅法 ６ 3）相位法 ７ 4)实验仪器 ８ 5)实验步骤 ８ 6)实验数据及处理 ９ （1）实验数据 ９ (2)数据处理 ９ (3)误差分析 １１ 3.实验感想 １１ 摘要 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，它能将人们无法看到的电信号转化成可直接观察的图像波形，从而对电信号波形进行分析。本实验就是利用模拟示波器将从声速测量仪上接收到的电信号转化为波形，利用声波的特点，对示波器上的波形进行分析，测出声波的波长，最后计算出波速。 关键词：模拟示波器、声速、误差。 1.模拟示波器简介 1)模拟示波器结构 模拟示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观察测量的交变电信号转换成图像并显示在荧光屏上以便测量和分析的电子仪器。它主要由4部分组成：阴极射线示波器，扫描、触发系统，放大系统，电源系统。其基本组成如图1.1所示。当电子枪被加热发出电子束后，经电场加速、聚焦和偏转系统，打在涂有荧光物质的荧光屏上就形成一个亮点。若电子束在到达荧光屏之前受到两两相互垂直的偏转板间电场的作用，则亮点位置会发生改变，从而显示出各种波形。 图1.1 2）工作原理 模拟示波器的基本工作原理是：被测量信号经Y轴衰减后送至Y1放大器，经延迟级后到2Y放大器，信号放大后加到示波管的Y轴偏转板上，如图1.1所示。? 若Y轴所加信号为图1.2（a）所示的正弦信号，X输入开关S切换到“外”输入，且X轴没有输入信号，则光点在荧光屏竖直方向上按正弦规律上下运动，随着Y轴方向信号频率的提高，由于视觉暂留或荧光屏余辉等原因，在荧光屏上显示出一条竖直扫描线；同理，如在X轴所加信号为图1.2（b）所示到达锯齿波信号，且Y轴没有输入信号，则光点在荧光屏水平方向上先由左向右均匀运动，到达右端后立即返回左端，再从左向右重复上述过程，每完成一个循环称为一次扫描。随着X轴方向信号频率的提高，在荧光屏上显示出一条水平扫描线。Z轴的作用是使用扫描波形有一定辉度（亮度），对于某些具有Z轴外输入的示波器，则可通过Z轴的输入信号，动态调节不同扫描时刻的波形的亮度，实现类似于电视图像的显示效果。 图1.2(a) 图1.2（b) 3）李萨如图形 在图1.1中，X输入开关S切换到“外”输入，且X轴和Y轴同时有频率相同或者成整数比的两个正弦电压输入，此时电子束同时受到两个方向偏转电压的作用，在荧光屏上的光点将显示两个正交谐振动得合成振动图形，即李萨如图形，其形状随两个信号的频率和相位差的不同而不同。如果Y轴信号和X轴信号的频率有简单的整数比，则合成运动有稳定的闭合轨道。 图1.3 不难理解，沿着这种闭合轨道环绕一周后在水平和竖直方向往返的次数与两个方向的频率成正比。即李萨如图形与水平线相交的点数及与垂直线相交的点数之间的比值与两信号频率之比有如下关系： ? 若已知其中一个信号的频率，以及从李萨如图像上得到的点数和，就可以求出另一带测信号的频率。 4）模拟示波器的特点 模拟示波器的主要特点是：①波形显示快速，实时显示；②波形连续真实，垂直分辨率高；③捕获率高；④有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。? 模拟示波器的不足之处是：①无储存功能；②仅有边沿触发；③无自动参数测量功能，只能进行手动测量，所以准确度不够高；④由于CRT的余辉时间很短，所以难以显示频率很低的信号；⑤难以观察非重复性信号和瞬变信号。 2.声速的测量 1)测量原理 声学测量是人们认识声学问题本质的一种实验手段，声速是声学研究中的一个重要的基本参量。它的测定特别是精确测定不仅有重要的基础研究价值，而且在物质的物理、化学性能（例如分子结构、运动状态以及多种物理效应）的研究中也是一种重要的测量手段，在工程技术和医学领域（诸如测量厚度、料位、流量、温度、硬度以及血流等）也有广泛和重要的应用。 声速是指声波在媒质中的传播速度。声波能够在除真空以外的所有物质中传播，其传播速度由相应媒质的材料特性特别是力学参数决定，也与传播模式（纵波、横波、表面波等）有关。由于声波的传播模式会受到边界的影响，因此通常给出的声速都是指无限大介质中的传播速度。在空气中声波只能以纵波的形式存在。本实验的主要内容是利用连续波方法测定空气中的声速。? 在波动过程中，波的传播速度v、f和波长之间存在下列关系：? ???