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1、用相位法测声速【实验目的】1、学习用相位法测量空气中的声速。2、了解空气中的声速与温度的关系。3、提高声学、电磁学等不同类型仪器的综合使用能力。4、了解换能器的原理及工作方式。【实验仪器】综合声速测定仪、综合声速测定仪信号源、双综示波器。【实验原理】1、声波的波速测量声速一般的方法是在给定声音信号的频率f情况下，测量声信号的波长人，由 公式u = X f，计算出声速u。图2实验连线示意图3、相位法测量声速的原理图2为实验连线示意图，它由综合声速测试仪、信号源、和示波器组成。声速测试仪 装置的支架上部装有游标尺，游标尺的刀口下部装有两只压电换能器。作为发射超声波用的 换能器*固定在刀口的左端。另
2、一只接收超声波用的换能器S 2装在刀口的右端，可沿着游 标尺移动。两只换能器的相对位移可从游标尺上读得。使换能器*发射超声波的正弦电压 信号由信号源供给。正弦电压信号的频率直接在信号源的数码管上显示出来。换能器七把 接收到的超声波压转换成电压信号，用示波器观察。由信号源产生的一正弦波信号，一方面由“示波器”端钮将信号送入示波器的“ CHi( X轴）”，另一方面由“换能器”端钮将信号送入综合测定仪的“*”，再传送到“%”，然后 送入示波器的“ ch2（r轴）”。在示波器上将显示出两个频率相等、振动方向相互垂直、位相差恒定的利萨如图形。由于两信号到达时间不同（或存在有波程差）而产生相位差。c L
3、= 2兀一X相位差不同，利萨如图形也不同。即X = A sin（t + 甲）Y = A sin（ t + 甲）合成后的方程为X 2 Y 2 2 XY+ cos（甲一甲）=sin2（甲一甲）A2 A2 AA 2121121 2这是一个稳定的椭圆利萨如图形。当平甲=0时21X 2 Y 22 XY c+= 0A2 A2 A A 121 2Y厂A这是一直线方程。即两者相位相同或相位差为2兀的整数倍时，合成为一条直线。X当中一中=k冗土一时212X 2 Y 2+=1 A2 A212合成后的利萨如图形为正椭圆。可见利萨如图形随相位差的变化而改变。当连续移S2,增大 S1与S2之间的距离L时，利萨如图将从直
4、线到椭圆再到直线变化，如图3所示。当L改变 一个波长时，即两信号的相位差改变2兀时，图形就会重复出现同样斜率的直线。如图3所 示。这样就可以测量出波长的长度。$=0 。二叔4中二3X4中二兀中二由/4 $=3/2中二7洲4中葺兀图3不同相位差对应的利萨如图【实验步骤】1、按图2所示接线，将换能器间距离调整到约50mm。信号源输出频率为f，大约为 36000 七。2、打开示波器电源，预热5分钟，待出现一条绿色的水平线。将开关置于“CH1”，显 示X方向的正弦波形，然后将开关置于”CH2”，显示Y方向的波形。应使两者的幅度大致相 等。幅度不应过大。3、将示波器的旋钮旋到X I 丫位置，示波器出现“
5、椭圆”图形。将图形调至中间。旋 转声速测定仪上的手轮，看图形的变化规律，看是否是从左到右再从右到左变化。4、将利萨如图形调成一条直线，并记住直线的位置。打开自动记录仪的电源开关，并 清零。5、转动声速测定仪上的手轮，逐步增大换能器间距，观察相应的李萨如图形，直到图 形再回到开始的直线位置时，记录下记录仪上的读数，并记录信号源上的频率。6、重复步骤5。记录8组数据，填在相应的表内。五、数据记录序号/,)L (mm)l = L - L (mm)X i=4 L(mm)12345678X+X+X+X_2T4寸(X X )2.iAX = 4=14 1六、数据处理计算平均波长波长绝对不确定度平均频率f =5 f频率绝对不确定度颂=8 -158 (f - f )2nnn=1计算平均声速相对不确定度E =(竽)2 + (A )2波长绝对不确定度波速的完整表示
