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2021年超声波测声速实验报告 2021年超声波测声速实验报告 PAGE / NUMPAGES 2021年超声波测声速实验报告 西安交通大学 大学物理仿真试验 试验汇报 ——声速测量 姓 名: 林 丽 学 号: 学 院: 电信学院 班 级: 计算机22班 试验目 了解超声波产生、 发射和接收方法; 用驻波法和相位比较法测声速。 试验仪器 超声声速测定仪: 关键部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。 函数信号发生器: 提供一定频率信号, 使之等于系统谐振频率。 示波器: 示波器x, y轴输入各接一个换能器, 改变两个换能器之间距离会影响示波器上李萨如图形。并由此可测得目前频率下声波波长, 结合频率, 能够求得空气中声速。 试验原理 由波动理论可知, 波速与波长、 频率有以下关系: v = f λ, 只要知道频率和波长就能够求出波速。本试验经过低频信号发生器控制换能器, 信号发生器输出频率就是声波频率。声波波长用驻波法（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试验装置图。 图 SEQ 图表 \* ARABIC 图 SEQ 图表 \* ARABIC 1 试验装置和接线图 由声源发出平面波经前方平面反射后, 入射波与发射波叠加, 它们波动方程分别是: y y 叠加后合成波为: y=(2Acos2π cos2πxλ=±1各点振幅最大, 称为波腹, 对应位置: x=±nλ cos2πxλ=0各点振幅最小, 称为波节, 对应位置: x=± 所以, 只要测得相邻两波腹（或波节）位置Xn、 X 相位比较法测波长 从换能器S1发出超声波抵达接收器S2, 所以在同一时刻S1与S2处波有一相位差: φ=2πxλ (其中 试验步骤 连接仪器。 根据图1连接好仪器, 使用前开机预热10min, 自动工作在连续被方法, 选择介质为空气, 观察S1和S 图 SEQ 图表 \* ARABIC 2 接线截图 测量信号源输出频率f0 将示波器调整为y-t模式, 观察到正弦信号波形, 使S1和S2间距离约为5cm; 调整信号发射强度, 波幅为5V, 在350（100MHz）周围调整频率, 同时观察波形, 使信号幅度最大, 此时频率为329（100MHz 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改变, 选择信号最大位置开始读数, 记为xi, 取i=10, 用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率 用相位比较法测波长和声速。 将示波器调整为X-Y工作方法。观察示波器出现李萨如图形, 缓慢移动S2, 当反复出现该图形时, 说明相位改变了2π, 即S1和 李萨如图形 图 SEQ 图表 \* ARABIC 3 Ф=0 图 SEQ 图表 \* ARABIC 7 Ф=π 图 SEQ 图表 \* ARABIC 4 Ф=π4 图8 Ф=π2 图 SEQ 图表 \* ARABIC 5 Ф=π2 图9 Ф=7π4 图 SEQ 图表 \* ARABIC 6 Ф=3π4 图10 Ф=2π 数据统计及处理 基础数据统计 谐振频率f0 驻波法测量声速 表1 驻波法测量声速数据 i 1i（cm） i+6 1i+6（cm） λi= (1i+6-1i) /3（cm） 1 9.062 7 12.234 1.057 2 9.576 8 12.776 1.067 3 10.124 9 13.314 1.063 4 10.650 10 13.822 1.057 5 11.180 11 14.354 1.058 6 11.702 12 14.844 1.047 λ平均值: 1.0582（cm） λ不确定度: ＝0.002（cm） 因为, λi= (1i+6-1i) /3, Δ仪=0.02mm 所以, 0.000544（cm） 0.021（mm） 计算声速: （m/s） 计算不确定度: 试验结果表示: υ=（354±3）m/s, Ev 相位比较法测量声速 表2 相位比较法测量声速数据（相位变换2π） i 1i（cm） i+7 1i+7（