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1、实验四十 超声波实验,王淑珍,实验目的,了解声波在空气中传播的特性了解压电换能器的功能了解声波的产生、发射和接受方法进一步掌握示波器、信号发生器的使用方法加深对波的传播、干涉、驻波、振动合成等理论知识的理解。学习驻波法和相位法测试超声波在空气、水中的传播速度,实验器材,ZKY-SS声速测定实验仪（信号源、测定仪、水槽）、示波器,移动支架,换能器,水槽,示波器,信号源,发射换能器的发射面与接收换能器的接收面要保持互相平行！,zky-ss型声速测定实验仪主要由压电陶瓷换能器和读数标尺组成。,换能器结构图,压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。
2、压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器，反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶瓷片作为声频信号接收器。,压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成,2. 示波器,水平移位,聚焦调节,CH通道,灵敏度调节（）,灵敏度调节（）,垂直移位（CH1）,触发电平,CH1通道,垂直移位（CH2）,亮度调节,扫描速度选择,3.信号发生器,频率调节,输出超声发射器驱动信号,输入超声接收信号,输出信号监测,输入信号监测,实验原理,声速、声源振动频率和波长之间的关系为 式中 为声速； 为频率； 为波长。,谐振时,声波频率就是低频信号发生器输出频率。因此声速测量是通过直接测量声波的波长。,一.
3、驻波法（共振干涉法）,声波波长的测量方法,1.驻波的形成及特点,驻波方程,任意两相邻波腹(波节)之间的距离为 .,波腹:振幅最大的点. 对应的位置：,波节:振幅最小的点. 对应的位置：,发射换能器S1发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器（接受换能器S2）。如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反射面处为驻波的波节。改变接收器与发射源之间的距离l，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳定的驻波共振现象。,声压变化与接收器位置的关系,移动接受器时、示波器所显示的信号幅度会由极大逐渐变小、然后再变大、相邻二次达到极大值的距离为2.,由纵波性质
4、和驻波理论可知，接收面按振动位移来说处于波节时,接收到的声压相应达到最大值,所接受电信号最强。,示波器x, y轴输入波的相位差：因为L改变一个波长时，相位差就改变 。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。,二.相位比较法（李萨如图形法）,当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大小会随发射接收的 距离L发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。,相位差图,相位差与李萨如图形的关系,分别用驻波法和相位法测量声音在空气中和水中的速度,实验内容,一寻找系统的谐振频率,实验步骤,转动丝杆寻找信号幅度最强的位置，找到后调节信号发生器的频率，使示波器上的信号幅度最大，再用微调旋钮调节信号发生器的频率，使示波器
5、上的信号幅度更大，此时信号发生器输出的频率值即为本系统的谐振频率f0,1. 接好电路（发射器激振器、接收器拾振器、发射监测触发信号、接收监测CH2 ）。2.选择连续正弦波工作模式（共振法、相位法），预热15分钟。3.寻找谐振频率（CH2通道波幅最大时对应的频率）并记录此频率，在以后的实验中不得更改此频率。4.将S2移近S1,在距离5cm附近找共振位置（振幅最大点），移动S2，依次记下各振幅极大时的x值，记录10组数据。,二. 驻波法测波长,1. 接好电路（发射器激振器、接收器拾振器、发射监测CH1、接收监测CH2 ）。2.选择连续正弦波工作模式。3. 示波器设置为x、y工作状态,选择适当的档位
6、,调出李萨如图形。3.在共振频率下，使S2靠近S1，再缓慢远离S1，当示波器上出现斜线（=0、），记下S2的位置x。4.继续移动S2,示波器上李萨如图形相位发生周期变化,依次记下斜线出现时S2的位置x1，x2，。,三.李萨如图形法,实验数据及处理,驻波法测量空气中的声速,1）实验数据,2）逐差法处理实验数据,3）空气中声速的理论值,计算测量值与理论值的相对误差比较两种方法测量的结果,注意事项,测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，以避免空程误差。电源接通时，两超声换能器不得接触。计算空气中声速的百分偏差时，空气中声速理论值由温度压强等计算。,1 逐差法处理数据的优点是什么？2 为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测量？3 试举三个超声波应用的例子，它们都是利用了超声波的哪些特性？,思 考 题,
