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1、大学物理实验超声波速测量实验报告大学物理实验超声波速测量实验报告 一实验目的 1. 了解超声波的物理特性及其产生机制； 2. 学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据； 3. 测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数； 4. 并运用超声波检测声场分布。 5. 学习超声波产生和接收原理， 6. 学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。 7. 观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射 二实验条件 HLD-SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪 三实验原理 1、超声波的有关物理知识 声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次声波
2、、声波、超声波和特超声波，如下图。 声波频谱分布图 振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波： 横波：质点振动方向和传播方向垂直的波，它只能在固体中传播。 纵波：质点振动方向和传播方向一致的波，它能在固体、液体、气体中的传播。 表面波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，介质表面的质点做椭圆的振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。 板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，可分为SH波与兰姆波。 超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特的特点：绕射现象小，方向性好，能定向传播；能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的
3、更远，而且在液体里的衰减和吸收是比较低的；能在异质界面产生反射、折射和波形转换。 2、理想气体中的声速值 声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为 V=rRTm (1) 式中R为气体普适常量(R=8.314J/(mol.k)，g是气体的绝热指数(气体比定压热容与比T 为气体的热力学温度，m为分子量，定容热容之比)，若以摄氏温度t计算，则：T=T0+t T0=273.15K 代入式(1)得， V=rRm(T0+t)rRmT01+tt (2) V01+T0T0对于空气介质，0时的声速V0=331.45校准后声速公式为： m/s 。若同时考虑到空气中的蒸汽的影响，V=331.45
4、(1+0.319pwt)(1+)m/s (3) T0p式中pw为蒸汽的分压强，p为大气压强。 3、共振干涉法 设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器，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，反射面处为位移的波节。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。此时，l等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出，在移动接收器的过程中，相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此，若保持频率 v不变，通过测量相邻两次接收信号达到
5、极大值时接收面之间的距离(l/2)，就可以用V=vl计算声速。 声压变化与接收器位置的关系： 4、相位比较法 发射波通过传声媒质到达接收器，所以在同一时刻，发射处的波与接收处的波的相位不同，其相位差 j可利用示波器的李萨如图形来观察。j 和角频率 w、传播时间 t之间有如下关系： j=wt 同时有： w=2p/T,t=，代入上式可求得声速V。 l的确定用如下方法：根据 l,l=TV Vj=2pl/l 当l=nl/2(n=1,2,3,.)时，得j=np。 实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，可观察到相位的变化。而当相位差改变 p时，相应的距离l 的改变量即为半个波长。为精确测定波长的值，在
6、实际的操作中要连续测多个相位改变p的点的坐标，再用逐差法算出波长l的值，根据波长和频率值可求出声速。 行波法相位差图： 5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射 由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速；并研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。 6、声波的干涉和衍射 双缝干涉实验装置如图1所示。对于不同的a角，如果从双缝到接收器的程差是零或波长的整数倍，就会产生相长干涉，因而观察到干涉强度的极大值；当程差是半波长
7、的奇数倍时，干涉强度有极小值。因此，干涉强度出现极大值与极小值的条件如下： 极大值：dsina=nl (4) 极小值：dsina=(n+1)l (5) 2式中，n为零或整数，d为二个缝中心位置的距离，l为声音的波长。 rda图1 衍射效应用超声波也可以观察到，采用1个单缝，如图2所示。当来自单缝的一半的辐射与来自另一半的辐射相差半波长奇数倍时，会产生相消干涉，因此相消干涉条件是： a1sina=(n+)l 22式中，n=0，1，2，a为单缝缝宽，a为接收器离中心位置转过角度。 ra图2 三、实验内容 (一)：声音在空气中传播速度测量 1、调整测试系统的谐振频率 按图4将实验装置接好。正弦波的频
8、率取40KHz，调节接收换能器尽可能近距离，且使示波器上的电源信号为最大。然后，将两个换能器分开稍大些距离，使接收换能器输入示波器上的电压信号为最大。再调节频率，使该信号确实为该位置极大值。此时信号源输出频率才最终等于二个换能器的固有频率。在该频率上，换能器输出较强的超声波。 2、在谐振频率处用共振法和相位法测声速。 当测得一声速极大值后，连续地移动接收端的位置，测量相继出现20个极大值所相应的各接收面位置Li，再用逐差法求波长值。 在用相位比较法时，将接收器与示波器的Y轴相连，发射器与示波器X轴相连，即可利用李萨如图形来观察发射波与接收波的相位差，适当调节Y轴和X轴灵敏度，就能获得比较满意的
9、李萨如图形。对于两个同频率互相垂直的简谐振动的合成，随着两者之间相位差从0-变化，其李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆，再由椭圆变到斜率为负的直线。记录游标卡尺上读数时，应选择李萨如图形为直线时所对应的位置。每移动半个波长，就会重复出现斜率正负交替的直线图形。 3、本实验温度应正确仔细地测量，并测出温度计干泡温度和湿泡温度，查表得到该状态下的 pw值，再测得实验室当时的气压值p，则可由式求出声速值。 4、将上述两种方法的测量结果比较，计算相对偏差。 选做实验： 声波的双缝干涉 用图1所示双缝装置来做干涉实验。实验须满足公式和公式条件。为了减少由于两个缝处的衍射所引起的复杂性。简单的办法是每个缝
10、宽度均小于1个波长，缝宽仅2-3mm，而两个缝相隔为几个波长，。这时，测量出主极大，次极大和极小值的位置。要观察更多极大值和极小值位置，须将固定螺丝卸下，放好后。转动更大角度观察到。 声波的单缝衍射 用图2所示双缝装置来做观察声波的单缝衍射实验。体会声波衍射的物理含义。 将转动紧固螺丝卸下(注意螺丝和螺帽不能掉)放在纸盒内。将接收器绕轴心转动，可以观察接收信号在不同角位置时强度的变化，由公式(6)可估算一级极小值的角度。可以在满足公式(6)的条件下，观测到一级极小值。估算一下衍射是否与理论值一致，转动更大角度时，可观测到一级极大值。 四、使用注意事项 1、仪器与装置连接的电缆线，不宜多拆、多接
11、。角度固定螺丝也不宜让学生经常卸下。最佳方案是配一套公用“声速测量综合实验仪”。让学生学习接拆同轴电缆接头，以及观测大角度时双缝干涉和单缝衍射，并备1个大量角器。 2、数显游标卡尺使用时，应轻轻移动，移动时速度须慢而均匀。实验结束时，应将数显部分电源关闭。 3、搬动仪器时，不能将数显游标卡尺当手柄使用。应两手拿底板搬动装置。 4、平时，不做实验时，应用防尘罩(或布)防尘，以避免灰尘进入换能器。 五、思考与讨论 1、声波与光波、微波有何区别？ 2、为何在声波形成驻波时，在波节位置声压最大，因而接收器输出信号最大？ 3、在什么条件下，声波传播中的压缩与稀疏不是绝热过程？这对声速测量结果有何影响？
