大学物理仿真实验实验报告 超声波测声速

大学物理仿真实验实验报告

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超声波测声速

一实验原理

由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f λ，只要知道频率和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是声波频率。声波的波长用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）测量。下图是超声波测声速实验装置图。

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

别是：

叠加后合成波为：

的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：

( n =0,1,2,3……)

的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：

( n =0,1,2,3……)

二实验仪器

1）声速的测量实验仪器

包括超声声速测定仪、函数信号发生器和示波器

2）超声声速测定仪

主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。

3）函数信号发生器

提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率。

4）示波器

示波器的x, y轴输入各接一个换能器，改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的图形。并由此可测得当前频率下声波的波长，结合频率，可以求得空气中的声速。

三实验内容

1．调整仪器使系统处于最佳工作状态。

2．用驻波法（共振干涉法）测波长和声速。

3．用相位比较法测波长和声速。

*注意事项

1．确保换能器S1和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f 0保持一致。

三 数据记录与处理

1． 基础数据记录

谐振频率=33.5kHz

2． 驻波法测量声速

λ的平均值：==∑=1

6i i λλ 1.0585（cm ）

λ的不确定度：

)

1()(6

1

2

--=

∑=i i S i i

λλ

λ＝0.002（cm ）

因为，λi = (1i+6-1i ) /3，Δ仪=0.02mm 所以，＝仪∆=

3

32λu 0.000544（cm ）

=+=22λ

λλσu S 0.021（mm ） 计算声速：

50.354==λυf （m/s

）

计算不确定度：

(m/s)

3)()((kHz)

2.03

%122=+==⨯=

f f f f λσσσσλυ

实验结果表示：υ=（354±3）m/s ，=0.8%

3． 相位比较法测量声速

λ的平均值：==∑=7

1

71i i λλ 1.1041（cm ）

λ的不确定度：

)

1()(7

1

2

--=

∑=i i S i i

λλ

λ＝0.002（cm ）

因为，λi = (1i+7-1i ) /7，Δ仪=0.02mm 所以，＝仪∆=

3

72λu 0.000233（cm ）

=+=22λ

λλσu S 0.020（mm ） 计算声速：

31.353==λυf （m/s ）

计算不确定度：

(m/s)

3)()((kHz)

2.03

%122=+==⨯=

f f f f λσσσσλυ

实验结果表示：υ=（353±3）m/s ，B=0.8%

四 实验结论

1 利用驻波法测得声速为υ=（354±3）m/s

2 利用相位法测得声速为υ=（353±3）m/s

五 实验思考题

1．固定距离，改变频率，以求声速。是否可行？

答： 能。因为v = f λ，已知频率f ，而且波长λ也能通过示波器图像读 出 所以可以用驻波法测量出声速。

2．各种气体中的声速是否相同？为什么？

答：不同。声波在不同介质中有不同的波长、频率和速度。