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1、超声波声速的测定南京工程学院 2009年6月一、实验目的1、测量超声波在空气中的传播速度； 2、加深对波的相位、波的干涉及振动合成 等理论的理解，学习用示波器观察信号间 的相位差 ； 3、掌握用逐差法处理数据的能力； 4、培养综合应用仪器设备的能力。二、实验原理声速测量的常用方法有两类： 第一类是根据声波的传播速度 与其频率 和波长 之间的关系 ，先测出频率 和波长 ，再计算声速 。常用方法有相 位比较法和驻波法（共振干涉法） ； 第二类是测量声波传播距离 和时间间隔 ，然后根据公式 计算声速 。常用 的方法有时差法。 1. 相位比较法 相位比较法测声速连线图如图所示从S1发出的正弦波与S2收
2、到的正弦波之间的相位 差为S1与S2之间变化一个波长，相位差变化2，示 波器上所观察到的李萨如图随之变化一个周期 ，测出波长，从而可以计算出波速 。图 形相位差2. 驻波法（驻波共振法） 驻波法测声速示意图：沿x方向的入射波和反射波相遇干涉时，在空 间某点的合振动方程为:y = y1 + y2=(2Acos2x/)cos2ft，波腹处振幅最大，波节处振幅为零，由纵 波的性质可以知道，当接收换能器端面位于 振动的波节时，正好声压值最大。移动S2， 可看到示波器上显示的声压值不断地由最大 变到最小再变到最大，呈周期性变化。二相 邻的振幅最大点之间移动过的距离亦为两相 邻波节的距离，即 3. 时差法
3、 时差法测声速连线图如图所示：时差法是将脉冲调制信号加到发射器上， 声波在介质中传播，经过时间后，到达距 离处的接收换能器，可以用以下公式求出 声波在介质中的传播速度 三、实验仪器超声声速测定仪、SV5声速测量专用信号源、 YB4328示波器等 超声声速测定仪声速测定仪是由压电换能系统S1、S2、游标卡尺 、固定支架等部件组成，仪器装置如图3.1.9所示。 S1、S2是两个压电陶瓷超声换能器，S1为发射换能 器，它通过逆压电效应把电信号转换成以电信号频 率的机械振动，从而推动空气分子振动产生平面声 波；S2为接收换能器，它通过正压电效应把声信号 转换为电信号以接收声波，其端面也是声波的反射 界
4、面，它们的结构完全相同，有共同的谐振频率， 只有当外界输入信号的频率等于其谐振频率时，才 能产生最佳的机械振动。压电陶瓷换能器内部结构压电陶瓷片电输入或 输出端铝外壳四、实验内容与步骤 相位比较法(1) 调整信号源的输出频率使发射换能器处于谐 振状态，调整发射换能器的发射面与接收换能 器的接收面保持平行。方法同驻波法。(2) 按图连接线路。(3)沿着相同方向转动距离调节鼓轮，改变发射面 与接收面之间的距离，观察示波器荧光屏上李 萨如图形的变化，依次读取示波器上显示相位 差图样时接收面的位置（表4-23）。(4)记下室温，并用逐差法对实验数据进行处理， 计算不确定度。 2. 驻波法测定声速 (1
5、)按图接好电路 (2) 调整发射换能器的发射面与接收换能器的接收 面保持平行。 (3) 调整超声信号源的输出信号频率，观察示波器 y轴信号的振幅，使振幅达到最大。此时表示发 射换能器处于谐振状态。 (4) 沿着同方向转动距离调节鼓轮，使发射面和接 收面之间的距离逐渐增加，可观察到示波器中y 轴振幅的大小会有周期性变化，依次记录示波 器电压值幅值最大时，接受器S2的位置即为驻 波的波节位置。 (5)记下连续10次出现幅度最大时接受器S2的位置 ，用逐差法处理数据，计算不确定度。3.时差法（选做） （1）将测试方法设置到脉冲波方式。 （2）将S1和S2之间的距离调到 。 （3）再调节接收增益，使示
6、波器上显示的接收波 信号幅度在300400mV左右（峰峰值），以 使计时器工作在最佳状态，然后记录此时S2的 读数。 （4）沿着相同方向转动距离调节鼓轮，改变发射 面与接收面之间的距离，同时调节接收增益使 接收波信号幅度始终保持一致。每隔10s左右 记录下S2的读数。 （5）记下室温，并用逐差法对实验数据进行处理 。五、注意事项1. 确保换能器S1和S2端面的平行。 2测量时必须沿同一方向轻而缓慢地转动 位置调节鼓轮以避免空程误差，会读取鼓 轮读数。 3注意保护仪器，鼓轮要缓慢摇动，不能 用力过猛，不要挤压换能器。 六、思考题1. 测量声速时，为什么要调整低频信号发生 器的输出频率，使发射换能器处于谐振状 态? 2. 讨论本实验误差产生的主要原因。
