西安交大物理仿真实验实验报告

西安交通大学实验报告
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课程:＿_＿__大学物理实验___＿ﻩ实验日期:2014 年11月30日
专业班号__＿_＿_组别_＿无＿__ 交报告日期: 2０12年12 月 4 日
姓名__＿学号＿____＿报告退发:(订正、重做)
同组者________＿_＿＿______＿__＿＿＿____ 教师审批签字:
实验名称:超声波测声速
一、实验目的:
1、了解超声波的产生、发射、与接收方法;
2、用驻波法、相位比较法测量声速。

二、实验仪器:
ＳＶ－DH系列声速测试仪,示波器,声速测试仪信号源。

三、实验原理:
由波动理论可知,波速与波长、频率有如下关系:v= f λ,只要知道频率与波
长就可以求出波速。

本实验通过低频信号发生器控制换能器,信号发生器的输出
频率就就是声波频率。

声波的波长用驻波法(共振干涉法)与行波法(相位比较法)
测量。

下图就是超声波测声速实验装置图。

１、驻波法测波长
由声源发出的平面波经前方的平面反射后,入射波与发射波叠加,它们波动方程分别就是:
叠加后合成波为:
振幅最大的各点称为波腹,其对应位置:
振幅最小的各点称为波节,其对应位置:
因此只要测得相邻两波腹(或波节)的位置Xn、Ｘｎ-1即可得波长。

2、相位比较法测波长
从换能器Ｓ1发出的超声波到达接收器S2,所以在同一时刻Ｓ1与S2处的波有一相位差:。

因为x改变一个波长时,相位差就改变2π。

利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

四、实验内容
１.接线
2.调整仪器
(1)示波器的使用与调整
使用示波器时候,请先调整好示波器的聚焦。

然后鼠标单击示波器的输入信号的接口,把信号输入示波器。

接着调节通道1,2的幅度微调,扫描信号的时基微调。

最后选择合适的垂直方式选择开关,触发源选择开关,内触发源选择开关,Au ｔｏ-Noｒm-X-Y开关,在示波器上显示出需要观察的信号波形。

输入信道的信号就是由实验线路的连接决定的。

(2)信号发生器的调整
根据实验的要求调整信号发生器,产生频率大概在35KＨz左右,幅度为5Ｖ的一个正弦信号。

由于本实验测声速的方法需要通过换能器(压电陶瓷)共振把电信号转为声信号,然后再转为电信号进行的,所以在开始测量前需要调节信号的频率为换能器的共振频率。

在寻找共振频率时,通过调节信号发生器的微调旋钮,观察示波器上信号幅度就是否为最大来逐步寻找的。

(3)超声速测定仪的使用
在超声速测定仪中,左边的换能器就是固定的,右边的换能器就是与游标卡尺的滑动部分连接在一起的。

这样,左右换能器间的距离就可以通过游标卡尺来测量出来,在上图的下半部分就是一个放大的游标卡尺的读数图。

3.实验内容
寻找到超声波的频率(就就是换能器的共振频率)后,只要测量到信号的波长就可以求得声速。

我们采用驻波法与相位比较法来测量信号波长:
(1)驻波法
信号发生器产生的信号通过超声速测定仪后,会在两个换能器件之间产生驻波。

改变换能器之间的距离(移动右边的换能器)时,在接收端(把声信号转为电信号的换能器)的信号振幅会相应改变。

当换能器之间的距离为信号波长的一半时,接受端信号振幅为最大值。

实验中调节示波器的垂直方式选择开关,触发源选择开关,内触发源选择开关,Auto-Noｒm-X－Y开关,使屏幕上显示出接受端信号,图见前面“调整仪器”中“示波器的使用与调整”部分。

然后,一边移动右边换能器,一边观察示波器上的信号幅度。

当信号幅度为最大值时,通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。

两个相邻的信号幅度最大时换能器间的距离差就就是波长的一半。

(2)相位比较法
由于两个换能器间有距离,这样在两个换能器处的信号有一相位差。

当换能器间距离改变一个波长时,相位差改变2p。

实验中调节示波器的垂直方式选择开关,触发源选择开关,内触发源选择开关,Aｕtｏ-Noｒm-Ｘ-Y开关,使屏幕上显示出两个换能器端信号产生的李撒如图(见图11)。

然后,一边移动右边换能器,一边观察示波器上的李撒如图。

当观察到两个信号的相位差改变2时,通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。

五、注意事项:
1、确保换能器Ｓ1与S２端面的平行。

2.信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率ｆ０保持一致。

六、实验经过及数据记录:
(1)驻波法测声速
连线如图
调节各仪器到如下图所示状态(所示波峰峰值最大):
读数:3、98mm;
再调节声速测试仪,使所示波峰峰值重新达到最大
读数:9、２8ｍm ;ﻫ以此类推,读出多组数据,记录如下所示:
1４、36mm１9.54mm24、88mm29、98mm35、２8mm
5０、7４ｍm5５.9４ｍm61、1２mｍ４0、42ｍm４５、６６m
ｍ
６６、36mm71、５6mｍ7６、82mm81.98mm87、14ｍm 92、3４mm97.66mm10２.76ｍm１08.０4mｍ１13、12mｍ(2)相位比较法
连线如图
调节各仪器到如下图所示状态:
读数:9、２0mm;
再调节声速测试仪,使所示波型与前一次相同:
读数:１9、６２mm ;
以此类推,读出多组数据,记录如下:
30、00ｍm4０、42mm５0、８２mm6１.１8mm7１、62mm 82、０0mm92、42ｍｍ10２、8２ｍm1１３、１8mm１23.58mm
七、数据处理:
(1)驻波法
(３、98mm-9、28ｍm-１4、36mｍ－1９、5４mｍ-24.88mm-２9.98mｍ-３５.28ｍｍ-４０.42mm-4５、６6mm-50、74mｍ-55、94mm+6１.12m
ｍ+66、36mm+71、５６mm+76.８２mm ＋81、98m ｍ+87、14ｍｍ+92、３4ｍm+９7、６6ｍm +1０2、7６mm+108、04mm +113、12m ｍ)/121=5、２０m ｍ s m Hz m f V /86.3633500001039.0=⨯==λ
(2)相位比较法
(9、20mm －１9.６2m ｍ－30.00mm-40、42ｍm-50、82mm-６１.1８mm+71.62ｍm+8２.０0mm +9２.４2mm+102.8２ｍm+113、１8ｍm +123.5８m ｍ) /３６= 10、40m ｍ
s m Hz m f V /98.3633500001040.0=⨯==λ
八、实验总结(包括误差分析、结论、建议等)
结论:通过超声波之间的干涉,可以通过测量与计算得到声速的值。

误差分析: s m V /28.34615
.27325145.3310=+
⨯= (设室温为25摄氏度。

)
百分误差000011.510028.34628.34698.363=⨯-=
r E )/34６、28=5、１1％ 误差可能的原因:
１、在实验进行的过程中,每次依照所示波调节声速测试仪时,都只能靠肉眼察,所以无法准确调到适当位置,存在较大误差。

2、声速测试仪信号源输出的波形可能不就是我们想象的那么精确,导致最后所测声速偏大。

建议:多做几次,求平均值。

九、思考题
1.固定距离,改变频率,以求声速。

就是否可行？
答:可行。

在距离l 一定时,均匀地改变频率,使所示波峰峰值达到最大亦可得声速。

２.各种气体中的声速就是否相同?为什么?
答:不同。

我们知道通常情况下气体声速M RT V λ=
,不同的气体具有不同的分子
量与气体密度,声波的传播速度不同。