超声波声速测量实验中的误差分析
声速的测量(超声)实验报告
声速的测量（超声）一、实验目的：①用共振干涉法求超声声速；②用相位比较法求超声声速。
二、实验仪器：超声声速测量仪、信号发生器、数字频率计、同轴电缆、示波器、游标卡尺、压电陶瓷超声换能器。
三、实验原理：①声速的测量：利用公式νλ,测量声波的频率ν和波长λ去求声速v。
②声压驻波：已知两列频率、振幅和振动方向相同的平面简谐波，向相反的方向传播时，叠加的合成波就是驻波，在驻波场中质点振幅最大处为波腹，质点位移振幅近似为零处为波节，相邻波腹或波长的距离为半波长（λ/2）。
③声波波长的测量：接收器S2输出的信息有两部分：1、驻波的信息，其振幅随S2的移动而变化，在共振时，S1、S2的距离为l：，，，此时振幅较大。
2、类似行波的信息，S1、S2用的相位差，也随着S2的移动而变化，每移动λ/2，相位差改变Π（即180°）。
利用这两种信息均可测量声波波长λ。
（1）共振干涉法；（2）相位比较法。
四、实验方法：①用共振干涉法测声速：示波器的X端用内部扫描，调内部扫描与S2的信息同步，示波器上显示的是S2的交流信号按时间展开的图形，移动S2示波器上图形有时很大，有时很小。
在S2移动范围内，仔细测多个出现极大值时S2的位置l1、l2、……、l n，用逐差法求出λ，再求声速v。
②用相位比较法测声速：示波器的X端用内部扫描，调内部扫描与S2的信息同步，移动S2示波器上的图形会从椭圆变换到一条直线，再从直线变换到一个反方向的椭圆，往复变换。
在S2移动范围内，仔细测多个出现直线时S2的位置l1、l2、……、l n，用逐差法求出λ，再求声速v。
③记录实验室的实温t。
④用当前实温和公式求出声速，与以上两种方法求出的声速进行比较，分析。
五、数据处理：温度：34℃频率：37500Hz共振干涉法（单位：mm）：218.98 213.58 209.20 204.56 199.62 194.92 190.64 185.72 180.62176.52相位比较法（单位：mm）：174.60 169.60 164.80 160.68 155.90 151.22 146.28 141.58 136.68131.70共振干涉法：λ相位比较法：λ六、小结（误差分析）：通过共振干涉法算出的超声声速为350.560 m/s，通过相位比较法算出的超声声速为354.360 m/s，通过公式求出的应得声速为351.474 m/s。
实验报告——声速的测量
声速测量------------------------------------------------------------------------------------------一、【实验名称】声速的测量二、【实验目的】1.了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解。
2.学会测量空气中的声速。
3.了解声波在空气中的传播速度与气体状态参量之间的关系。
4.学会用逐差法处理实验数据。
三、【实验仪器】示波器、信号发生器和声速仪四、【实验原理】由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v＝λf，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。
剩下的就是测量声速的波长，这就是本实验的主要任务。
下面介绍两种常用的实验室测量空气中声波波长的方法。
1.相位比较法实验接线如上图所示。
波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。
在声波传播方向上，所有质点的振动相位逐一落后，各点的振动相位又随时间变化。
声波波源和接收点存在着相位差，而这相位差则可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦交变电压信号的相位关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观察。
示波器相位差φ和角频率ω、传播时间t 之间有如下关系：φ=ω·t ω=2π/T t=l/v λ=Tv代入上式得：φ=2πl/λ当l=nλ/2(n=1,2,3,……）时，可得Φ=nπ由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即Φ＝2π）。
实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。
当相位差改变π时，相应距离l的改变量即为半个波长。
2.驻波法如上图所示，实验时将信号发生器输出的正弦电压信号接到发射超声换能器上，超声发射换能器通过电声转换，将电压信号变为超声波，以超声波形式发射出去。
接收换能器通过声电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观察。
声速测定实验不确定度、误差之比较研究
ｒ一 ８ ０ ２ Ｈｚ 室温 ： ｔ 一２ ７ ． ４℃
强。 通过声速测量仪上涡轮涡杆配合 ， 移动精度为 ０ ． ０ １ ０ ｍｍ， 的移动 装 置 ， 移动 换 能发射 器 Ｓ ｚ 和换 能 接 收器 ５ 之 间的距 离 ｚ到某 个共 振 位置 时 ， 如
ｚ Ｘ Ｌ — Ｌ ｌ—Ｌ 一
厶
而
一
质中出现稳定的共振 现象 ， 此时 Ｌ等于半波长的
整数 倍 ， 驻 波 的波腹 达 到最大 。 在 移动接 收器 的过 程中， 相邻 两 次到 达 共 振 所对 应 的接 收 面 之 间 的
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — １ ０ — １ ４
／ （ ２ ７ ３ ． １ ５ ＋ ）
— — — ～
一
标 准 差 ｓ （ ） 由 ｓ （ ） 一 √
波长 计算 ：
一
计 算 得 到
√ “ √ １ ＋ 。 ２ ７ ３ ． １ ５ 一 √ １ ＋
一
￣ － Ｅ （ Ｌ 。 一 Ｌ 一 ） ＋（ — 一 Ｌ ） ］
８ ． ５ ７ ４ ／ ｍｍ
４ ０ ．１ ０× １ ０。× ８ ．５ ７ ４× １ ０
ｕ （ Ｌ ）一 ， ／ ａ ａ ￣ （ Ｌ ｉ ） ＋ § （ Ｌ ）
表 ２ 测 定 Ｌ 时不 确 定 度 数 值 表
一
声速 ：
＝＝ ＝ 一
—
３ ４ ３ ． ８ ２ ／ ｍｓ 一
理论 值 ： 测定 波长 ｉ ｔ 时 的不确 定度 ：
声 速 测 定 实验 不 确 定 度 、 误 差 之 比较研 究
冯登 勇 ， 王 昆 林
声速测量实验问题分析与讨论
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声速测量实验问题分析与讨论
01
声速测量实验的基本原理与方法
声速的定义与测量意义
声速的定义
• 声速是指在某种介质中，声波传播的速度
• 表达式：v = s/t，其中v为声速，s为声波传播的距离，t为传播时间
测量声速的意义
数据呈现
• 采用表格和图形的方式，对实验结果进行呈现
• 使用颜色和图标等元素，对实验数据进行可视化
数据分析
• 分析实验数据的趋势和规律，总结实验结果
• 通过对比和分类等方法，对实验结果进行深入讨论
声速测量实验中的误差分析
误差来源
• 实验仪器的误差：如传感器精度、计时器精度等
• 实验操作的误差：如测量过程中的人为因素、环境因素等
实验仪器的改进
实验仪器的提高
• 提高实验仪器的精度和稳定性，降低实验误差
• 定期对实验仪器进行校准和维护，保证实验仪器的正常
• 采用新技术和新材料，对实验仪器进行改进和升级
运行
• 加强实验仪器的管理和使用，提高实验仪器的使用效率
和寿命
实验操作技巧与经验积累
实验操作技巧
• 熟练掌握实验操作方法和技巧，避免实验过程中出现错误
相位法
• 实验原理：通过测量声波在两个传感器之间的相位差，计算出声速
• 实验设备：声波发生器、两个传感器、相位计
干涉法
• 实验原理：通过测量声波在两个传感器之间的干涉信号，计算出声速
• 实验设备：声波发生器、两个传感器、示波器、信号处理电路
⌛️
02
声速测量实验中的常见问题
实验仪器的选择与使用
声速的测量
实验报告：声速的测量张贺 PB07210001一、 实验题目：声速的测量二、 实验目的：了解超声波的产生、发射和接收方法，用干涉法和相位法测量声速。
三、 实验仪器:低频信号发生器、示波器、超声声速测定仪、频率计等 四、 实验原理：声速是声波在截至中传播的速度，声波在空气中的传播速度MRTv γ=(1)在C ︒0时的声速s m MRT v /45.33100==γ (2)在C t ︒时的声速15.27310tv v t += (3)由波动理论知λf v = (4)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，它们波动方程分别是：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=λπx ft A y 2cos 1⎪⎭⎫ ⎝⎛+λπx ft Acod 2叠加后合成波为：⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛-=+=λπλπx ft Acod x ft A y y y 22cos 21ft x A πλπ2cos 2cos 2⎪⎭⎫ ⎝⎛= (5)12cos =λπx的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置()K 2,1,02=±=n nx λ；02cos =λπx的各点振幅最小，称为波节，对应的位置()()K 2,1,0412=+±=n n x λ。
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n n x x -=+12λ。
2.相位比较法测波长从换能器S 1发出的超声波到达接收器S 2，所以在同一时刻S 1与S 2处的波有一相位差：其中λ是波长，l 为S 1和S 2之间距离。
因为l 改变一个波长时，相位差就改变π2。
利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。
五、 实验内容：1.调整仪器使系统处于最佳工作状态 (1)使1S 与2S 端面平行(2)调整低频信号发生器输出谐振频率 2.驻波法（共振干涉法）测波长和声速测量前移动游标，将2S 从一端缓慢移向另一端，并来回几次，观察示波器上的讯号幅度的变化，了解波的干涉现象。
声速的测定实验报告.doc
声速的测定实验报告 1、实验目的（1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。
（2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。
（3）学会用逐差法处理数据。
2、实验仪器超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B 、示波器ST16B 。
3、实验原理3．1 实验原理声速V 、频率f 和波长λ之间的关系式为λf V =。
如果能用实验方法测量声波的频率f 和波长λ，即可求得声速V 。
常用的测量声速的方法有以下两种。
3．2 实验方法3．2．1 驻波共振法（简称驻波法）S 1发出的超声波和S 2反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。
当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。
驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中，S 1、S 2即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为：ΛΛ3,2,1,2==n nL λ（1）即当S 1和S 2之间的距离L 等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。
在示波器上得到的信号幅度最大。
当L 不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。
移动S 2，可以连续地改变L 的大小。
由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即S 2所移过的距离为：()22211λλλ=⋅-+=-=∆+n n L L L n n （2）可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L 改变了2λ。
此距离2λ可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据f V ⋅=λ，就可求出声速。
3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法）在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。
其轨迹方程为：()()φφφφ122122122122-=--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛Sin Cos A A XY A Y A X （5）在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。
测量声速的实验报告声速测定实验数据处理
测量声速的实验报告声速测定实验数据处理测量声速（实验报告）实验目的：1）探究影响声速的因素，超声波产生和接收的原理。
2）学习、掌握空气中声速的测量方法3）了解、实践液体、固体中的声速测量方法。
4）三种声速测量方法作初步的比较研究。
实验仪器:1）超声波发射器2）超声波探测器3）平移与位置显示部件。
4）信号发生器：5）示波器实验原理：1)空气中：a.在理想气体中声波的传播速度为v（式中 cpcV（1）称为质量热容比，也称“比热[容]比”，它是气体的质量定压热容cp与质量定容热容cV的比值；M 是气体的摩尔质量，T是绝对温度，R=8.314472(1±1.7×10-6)Jmol-1K-1为摩尔气体常量。
）标准干燥空气的平均摩尔质量为Mst =28.966 10-3kg/mol b.在标准状态下(T0 273.15K,p 101.3 kPa)，干燥空气中的声速为v0=331.5m/s。
在室温t℃下，干燥空气中的声速为v v0（2）（T0＝273.15K）c.然而实际空气总会有一些水蒸气。
当空气中的相对湿度为r时，若气温为t℃时饱和蒸气压为pS，则水汽分压为rps。
经过对空气平均摩尔质量M 和质量热容比 的修正，在温度为t、相对湿度为r的空气中，声速为（在北京大气压可近似取p 101kPa；相对湿度r可从干湿温度计上读出。
温度t℃时的饱和水汽压ps可用lgps 10.2861780237.3trp v 331s 16m s （3）计算）d.式(3)的计算结果与实际的超声声速真值可能有一定偏差。
引起偏差的原因有：~状态参量的测量误差~理想气体理论公式的近似性~实际超声声速还与频率有关的声“色散”现象等。
实验方法：A. 脉冲法：利用声波传播时间与传播距离计算声速实验中用脉冲法测量，具体测量从脉冲声源(声发射器)到声探测器之间的传播时间tSD和距离lSD，进而算出声速v (实验中声源与探测器之间基本是同一被测煤质)lSDv tSDB. 利用声速与频率、波长的关系测量（要求声发射器的直径显著大于波长、声探测器的的直径小于波长(反射很少)）测波长的方法有B-1 行波近似下的相位比较法B-2 驻波假设下的振幅极值法B-3 发射器与探测器间距一定时的变频测量法实验步骤：1）用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速a. 正确接线将信号发生器的输出连接到声速仪的超声发射器信号的输入端的T型三通接头上，三通的另一个借口用导线连到示波器的一个输入端。
声速测量
实验十二 声速测量 编辑：李家望 赵斌摘 要 本实验通过压电换能器将声波转换为电信号，从而利用示波器测量了空气中的声速。
相对不确定度为1.9%和1.3%。
关键词 压电换能器，声波，电信号，示波器，声速 实验目的1． 利用共振干涉法和位相比较法测量超声波在空气中的传播速度。
2． 加强对驻波及振动合成等理论的理解。
实验原理1．声波在空气中传播速度：理想气体μγRT v =V P C C /=γ为比热容比，μ是气体的摩尔质量。
在室温时，声速的近似理论公式为：15.273145.331100t T t v v +≈+= （m/s ）2．压电换能器工作原理压电换能器是一种多晶结构的压电陶瓷材料，被极化的压电陶瓷具有压-电效应。
超声波的产生是利用压电陶瓷的逆压电效应使电压变化转变为声压变化，超声波的接收则是利用压电陶瓷的正压电效应使声压变化转变为电压变化。
3．共振干涉法（驻波法）测声速实验装置如图一所示。
图中S 1、S 2为压电陶瓷喇叭，S 1接函数信号发生器，作为超声波源； S 2为接收器，接二踪示波器，且能在接收声波的同时反射部分声波。
这样，S 1发出的超声波和S 2反射的超声波在它们之间的区域内因同频率，同振动方向，传播方向相反相干涉而形成驻波。
移动S 2即改变L ，当S 2将经过波腹时，声波信号最强，在示波器上得到的信号振幅最大；当S 2将经过波节时，在示波器上得到的信号振幅最小（因反射声波（会衰减）振幅小于入射声波振幅，合成后波节振幅不为零）。
S 2将经过一系列波腹，波节的位置，示波器上的信号幅度会周期性变化，任意两个相邻波腹（节）的距离，通过S 2的移动的距离由游标卡尺可测得：必满足 ΔL = L n +1- L n =λ/2又声波频率f 由函数信号发生器上读得，可得声速： v =λ f =2ΔL f 4．位相比较法（行波法）测声速实验装置如图二所示。
将函数信号发生器的交变信号输入S 1的同时输入示波器的X 轴（CH1通道），将S 2输出的信号接入示波器的Y 轴（CH2通道），则示波器上就会出现李萨如图形。
大物实验报告声速的测定
大物实验报告声速的测定篇一：大学物理实验报告-声速的测量实验报告声速的测量【实验目的】1.学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速2.学会用逐差法进行数据处理；3.了解声速与介质参数的关系。
【实验原理】由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。
在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。
超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。
本实验采用的是压电陶瓷制成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。
声波的传播速度与其频率和波长的关系为：vf(1)由(1)式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。
同样，传播速度亦可用v?L/t(2)表示，若测得声波传播所经过的距离L和传播时间t，也可获得声速。
1. 共振干涉法实验装置如图1所示，图中S1和S2为压电晶体换能器，S1作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；S2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。
当S1和S2的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即L=n×，n=0，1，2， (3)2λ时，S1发出的声波与其反射声波的相位在S1处差2nπ(n=1，2 ……)，因此形成共振。
因为接收器S2的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。
本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。
从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。
图中各极大之间的距离均为λ/2，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。
我们只要测出各极大值对应的接收器S2的位置，就可测出波长。
由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。
大学物理实验声速测量实验报告
⼤学物理实验声速测量实验报告声速测量⼀、实验项⽬名称：声速测量⼆、实验⽬的1.学会测量超声波在空⽓中的传播速度的⽅法2.理解驻波和振动合成理论3.学会逐差法进⾏数据处理4.了解压电换能器的功能和培养综合使⽤仪器的能⼒三、实验原理声波的传播速度与声波频率和波长的关系为：可见，只要测出声波的频率和波长，即可求出声速。
可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。
根据超声波的特点，实验中可以采⽤⼏种不同的⽅法测出超声波的波长：1. 驻波法（共振⼲涉法）如右图所⽰，实验时将信号发⽣器输出的正弦电压信号接到发射超声换能器上，超声发射换能器通过电声转换，将电压信号变为超声波，以超声波形式发射出去。
接收换能器通过声电转换，将声波信号变为电压信号后，送⼊⽰波器观察。
由声波传播理论可知，从发射换能器发出⼀定频率的平⾯声波，经过空⽓传播，到达接收换能器。
如果接收⾯和发射⾯严格平⾏，即⼊射波在接收⾯上垂直反射，⼊射波与反射波相互⼲涉形成驻波。
此时，两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长的整数倍。
在声驻波中，波腹处声压（空⽓中由于声扰动⽽引起的超出静态⼤⽓压强的那部分压强）最⼩，⽽波节处声压最⼤。
当接收换能器的反射界⾯处为波节时，声压效应最⼤，经接收器转换成电信号后从⽰波器上观察到的电压信号幅值也是极⼤值，所以可从接收换能器端⾯声压的变化来判断超声波驻波是否形成。
移动卡尺游标，改变两只换能器端⾯的距离，在⼀系列特定的距v f fv λ=f λf离上，媒质中将出现稳定的驻波共振现象，此时，两换能器间的距离等于半波长的整数倍，只要我们监测接收换能器输出电压幅度的变化，记录下相邻两次出现最⼤电压数值时（即接收器位于波节处）卡尺的读数（两读数之差的绝对值等于半波长），则根据公式：就可算出超声波在空⽓中的传播速度，其中超声波的频率可由信号发⽣器直接读得。
2.相位⽐较法实验接线如下图所⽰。
波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。
声速测定实验报告_清华
一、实验目的1. 理解声波在空气中传播速度与温度、湿度等状态参量的关系。
2. 掌握超声波的产生和接收原理，学习一种测量空气中声速的方法。
3. 深入理解相位的概念，并运用相位法进行声速测量。
二、实验原理1. 声波在空气中的传播速度声波在空气中的传播速度受温度、湿度等因素的影响。
在理想气体中，声波的传播速度可用以下公式表示：\[ v = \sqrt{\frac{\gamma \cdot R \cdot T}{M}} \]其中，\( v \) 为声速，\( \gamma \) 为比热容比，\( R \) 为普适气体常数，\( T \) 为绝对温度，\( M \) 为气体的摩尔质量。
在室温下，干燥空气中的声速约为 343 m/s。
然而，实际空气中总含有一定量的水蒸气，因此需要根据相对湿度和饱和蒸汽压对声速进行修正。
2. 超声波的产生和接收超声波的产生和接收一般通过压电效应和磁致伸缩效应来实现。
本实验采用压电陶瓷制成的换能器（探头），这种换能器可以在机械振动与交流电压之间双向换能。
3. 相位法测量声速相位法是一种常用的声速测量方法。
其基本原理是利用声波的相位差来计算声速。
具体步骤如下：1. 将超声波发射器产生的声波信号传递给接收器。
2. 接收器接收到的信号与发射器产生的信号进行相位比较。
3. 通过测量相位差，计算出声波的波长。
4. 根据波长和传播距离，计算出声速。
三、实验仪器1. 超声波发射器2. 超声波接收器3. 函数信号发生器4. 示波器5. 测量仪器（如尺子、计时器等）四、实验步骤1. 连接电路将函数信号发生器的输出端与超声波发射器的输入端相连，超声波接收器的输出端与示波器的通道1相连。
2. 测量声速1. 调整函数信号发生器的输出频率，使其接近超声波发射器的共振频率。
2. 观察示波器上接收器接收到的信号波形，当信号波形与发射器产生的信号波形同相时，记录此时的频率。
3. 改变接收器的位置，重复步骤2，记录不同位置下信号波形同相时的频率。
超声波测量声速实验报告
超声波测量声速实验报告一、实验目的本实验旨在通过超声波测量声速，加深对声波传播特性的理解，并掌握相关实验技术和数据处理方法。
二、实验原理超声波是一种频率高于 20000 赫兹的声波，其在介质中传播的速度与介质的性质有关。
在本实验中，我们利用超声波的反射和接收来测量声速。
根据声波的传播速度公式：＄v ＝fλ$，其中＄v$ 为声速，＄f$ 为声波频率，＄λ$ 为波长。
我们通过测量超声波的频率＄f$ 和波长＄λ$，即可计算出声速。
超声波的频率可以通过信号发生器直接读取，而波长的测量则通过测量相邻两个波峰（或波谷）之间的距离来实现。
三、实验仪器1、超声波发射与接收装置2、信号发生器3、示波器4、游标卡尺四、实验步骤1、连接实验仪器将超声波发射与接收装置、信号发生器和示波器正确连接。
2、调节信号发生器设置合适的频率和幅度，使超声波发射装置正常工作。
3、测量超声波频率在信号发生器上直接读取输出的超声波频率。
4、测量波长移动接收装置，在示波器上观察到稳定的波形。
使用游标卡尺测量相邻两个波峰（或波谷）之间的距离，多次测量取平均值，得到波长。
5、记录数据将测量得到的频率和波长数据记录下来。
6、重复实验为了减小误差，重复进行多次实验，获取多组数据。
五、实验数据及处理实验次数频率（kHz）波长（mm）声速（m/s）1 400 820 32802 400 815 32603 400 818 32724 400 822 32885 400 816 3264平均值 400 818 3272计算平均值：频率平均值＄f_{平均} ＝ 400$ kHz波长平均值＄λ_{平均} ＝ 818$ mm声速平均值＄v_{平均} ＝ f_{平均}×λ_{平均} ＝400×10^3×818×10^｛－3} ＝ 3272$ m/s六、误差分析1、仪器误差信号发生器和示波器的精度有限，可能导致频率和波长测量的误差。
超声波测量液体浓度实验方案及实验报告
物理设计性实验
四、实验方案：
1、物理模型的建立及比较和选择：
超声波在不同浓度液体中的传播速度不同，在不同的液体浓度下测量出超声波的传播速度就可以定量研究声速与浓度的关系（变化曲线），最后就可以通过测量超声波在某位置浓度液体中的传播速度计算出液体浓度。故本实验的关键就是测量超声波的传播速度。
1）如果声波在时间 内传播的距离为 ，则声速为 。
2、超声波换能器可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
3、压电式超声波换能器的工作原理：
超声波换能器的核心结构是压电片。压电片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等）做成的。它在应力作用下两极产生异号电荷，两极间产生电位差（称正压电效应）；而当压电材料两端间加上外加电压时又能产生应变（称逆压电效应）。利用上述可逆效应可将压电材料制成压电换能器，以实现声能与电能的相互转换。
波腹点位置： ,即 ，
波节点位置： ,即 ，
可知，相邻两个波腹点（或波节点）的距离为 ，当发射面和接受面之间的距离正好是半波长的整数倍时，即形成稳定的驻波，系统处于共振状态。
共振时，驻波的幅度达到极大，同时，接受器表面的振动位移应为零，即为波节点，但由于声波是纵波，所以声压达到极大值。理论计算表明，若改变发射器和接收器之间的距离，在一系列特定的距离上，介质将出现稳定的驻波共振现象。若保持声源频率不变，移动发射源，依次测出接受信号极大的位置 ， 则可以求出声波的波长 ，进一步计算出声速 。
超声波声速的测量实验报告
超声波声速的测量实验报告引言超声波声速的测量是物理实验中的常见实验之一。
本实验通过使用超声波测量仪器，测量不同介质中超声波的传播速度，从而了解不同介质的声学特性。
本实验报告将详细介绍实验所使用的设备、实验步骤、数据处理方法以及结果分析。
实验设备本实验使用的设备和材料如下： - 超声波测量仪器 - 不同介质（如水、油等） - 计时器 - 传声器实验步骤1.准备工作：将超声波测量仪器连接到电源，并将传声器连接到仪器上。
2.预热：打开超声波测量仪器，等待一段时间，使其达到稳定工作状态。
3.校准：使用已知声速的介质（如水），进行仪器的校准。
将传声器放入介质中，启动测量仪器并记录测量结果。
4.实验测量：选择其他不同介质（如油），将传声器放入介质中，启动测量仪器并记录测量结果。
5.重复测量：为确保准确性，重复步骤4多次，并取平均值作为最终测量结果。
数据处理方法通过实验测量得到的数据，可以计算出超声波在不同介质中的传播速度。
处理数据的方法如下： 1. 数据记录：将每次实验测量得到的数据记录下来，包括介质种类和测量结果。
2. 平均值计算：对于每个介质，将多次测量结果求平均值，得到该介质的声速。
3. 不确定度分析：根据实验数据的重复性，计算每个介质声速的不确定度，并进行数据误差分析。
4. 结果比较：将不同介质的声速结果进行比较，分析其差异和原因。
结果分析根据实验测量得到的数据和数据处理方法，可以得到不同介质中超声波的传播速度。
通过比较不同介质的声速结果，可以得出以下结论： 1. 不同介质的声速差异较大，这是因为介质的密度和弹性模量等性质不同所致。
2. 液体介质的声速通常比气体介质的声速高，这是因为液体分子之间的相互作用力较大。
3. 通过对不同介质声速的测量和比较，可以进一步了解介质的声学特性，对实际应用具有一定的指导意义。
总结本实验通过使用超声波测量仪器，测量不同介质中超声波的传播速度，并进行数据处理和结果分析。
超声声速测量实验报告
一、实验目的1. 理解超声波的基本物理特性和产生机制。
2. 掌握相位法测量超声波声速的方法。
3. 学会使用逐差法处理实验数据。
4. 测量超声波在介质中的吸收系数和反射系数。
5. 运用超声波检测声场分布。
6. 学习超声波的产生与接收原理。
7. 通过相位法与共振干涉法测量声音在空气中的传播速度，并与公认值进行比较。
8. 观察与测量声波的双缝干涉与单缝衍射现象。
二、实验原理超声波是一种频率高于人耳听觉上限（约20kHz）的声波。
其传播速度与介质的性质有关，主要受到介质密度和弹性模量的影响。
本实验采用相位法测量超声波声速，即通过测量超声波的波长和频率，计算出声速。
三、实验器材1. 型声速测量综合实验仪2. 示波器3. 信号发生仪4. 声波发射器5. 声波接收器6. 温度计7. 卷尺8. 秒表四、实验步骤1. 将实验仪器的各个部分连接好，包括声波发射器、声波接收器、示波器、信号发生仪等。
2. 校准实验仪器，确保其工作正常。
3. 测量环境温度，并记录数据。
4. 使用相位法测量超声波在空气中的传播速度：a. 将声波发射器与信号发生仪连接，调整信号发生仪的频率至超声波频率范围。
b. 将声波接收器放置在距离声波发射器一定距离的位置。
c. 在示波器上观察声波信号，调整声波接收器的位置，直到在示波器上观察到两个同相的声波信号。
d. 测量两个同相信号之间的距离，即为超声波的波长。
e. 计算超声波的传播速度：声速 = 频率× 波长。
5. 使用共振干涉法测量超声波在空气中的传播速度：a. 将声波发射器与声波接收器放置在共振腔内。
b. 调整信号发生仪的频率，直到在共振腔内观察到共振现象。
c. 测量共振频率，并计算超声波的传播速度：声速 = 频率× 波长。
6. 测量超声波在介质中的吸收系数和反射系数：a. 将声波发射器与声波接收器放置在待测介质中。
b. 调整信号发生仪的频率，使超声波在介质中传播。
c. 测量超声波在介质中的传播速度，并计算吸收系数和反射系数。
声速测定实验报告
声速测定实验报告声速得测定实验报告1 1 、实验目得(1)学会用驻波法与相位法测量声波在空气中传播速度。
(２)进一步掌握示波器、低频信号发生器得使用方法。
(3）学会用逐差法处理数据. 2 2 、实验仪器超声声速测定仪、低频信号发生器 DF１02７B、示波器 SＴ16B。
3 3 、实验原理3.1实验原理声速 V、频率 f 与波长λ之间得关系式为。
如果能用实验方法测量声波得频率 f 与波长λ，即可求得声速 V.常用得测量声速得方法有以下两种。
3 3 。
２实验方法3 3 。
2 2 。
1驻波共振法( ( 简称驻波法）发出得超声波与反射得超声波在它们之间得区域内相干涉而形成驻波。
当波源得频率与驻波系统得固有频率相等时,此驻波得振幅才达到最大值，此时得频率为共振频率。
驻波系统得固有频率不仅与系统得固有性质有关,还取决于边界条件,在声速实验中，、即为两边界，且必定就是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波得共振条件为:(１）即当与之间得距离 L 等于声波半波长得整数倍时，驻波系统处于共振状态,驻波振幅最大。
在示波器上得到得信号幅度最大。
当 L 不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态,驻波振幅随之减小。
移动,可以连续地改变 L 得大小.由式（1)可知，任意两个相邻共振状态之间，即所移过得距离为:（2) 可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于Ｌ改变了。
此距离可由超声声速测定仪上得游标卡尺测得,频率可由低频信号发生器上得频率计读得,根据，就可求出声速。
３．2 2 ．２两个相互垂直谐振动得合成法( ( 简称相位法) )在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直得同频率得谐振动得合成图形—-称为李沙如图形。
其轨迹方程为:(５) 在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。
当相位差时，由（5）式,得,即轨迹为一条处在于第一与第三象限得直线[参见图 16-2（a)］。
当时，得，轨迹为以坐标轴为主轴得椭圆当时，得，轨迹为处于第二与第四象限得一条直线. 改变与之间得距离Ｌ,相当于改变了发射波与接受波之间得相位差(），荧光屏上得图形也随之变化。
(精编资料推荐)超声波声速测量实验中的误差分析
（精编资料推荐）超声波声速测量实验中的误差分析超声波声速测量是一种常用的实验方法，用于测量固体、液体或气体的声速。
在实验过程中，存在一些误差来源，需要进行误差分析。
1. 温度误差：超声波声速的大小与温度密切相关。
因此，温度的变化会引入一定的误差。
为了减小温度误差，可以在实验过程中控制温度，并使用温度传感器进行实时监测和校正。
2. 距离误差：超声波声速的测量需要测量声波在样品中传播的时间，并根据声波传播距离计算声速。
如果声波传播距离测量不准确，将导致声速测量结果的误差。
为了减小距离误差，可以使用精确的测量工具（如游标卡尺或光电编码器）来测量距离，并进行多次重复测量以取平均值。
3. 固体样品中的几何形状误差：超声波声速的测量需要传播在样品内部，因此对样品的几何形状要求较高。
如果样品的几何形状有不均匀性或存在缺陷，将导致声速测量结果的误差。
为了减小几何形状误差，可以选择形状均匀、平整的样品，并在测量过程中避免样品与超声波之间出现空隙或接触不良。
4. 气体样品中的湿度误差：超声波在气体中传播时，湿度也会对声速造成影响。
因此，在测量气体样品声速时，需要考虑空气湿度的变化，并对测量结果进行校正。
可以使用湿度传感器或其他湿度测量装置对湿度进行实时监测。
5. 仪器误差：超声波声速测量需要使用特定的仪器，如超声波传感器、发射器和接收器。
仪器本身的性能差异和测量误差会对声速测量结果产生影响。
为了减小仪器误差，可以选择精确度较高的仪器，并校正传感器和接收器的灵敏度。
在进行超声波声速测量实验时，需要综合考虑以上因素，并对实验结果进行误差分析和校正，以提高测量精度和准确性。
超声波声速测量数据处理范例
超声波声速的测量实验数据处理实验室初温：t 1= 33.6 o c ；实验室末温：t 2= 33.8 o c1．用逐差法处理波长λ 依公式计算)(316n n iL L -=+λ==∑n iλλ ==∑n f f i波长的不确定度：A 类分量： =--=∆∑)1()(2n n i A λλ0.085 0.184 0.024 0.033 0.0860.124 30 0.0072 0.03386 0.00058 0.00109 0.00740 0.01537 0.0665|30B 类分量：取其仪器误差限，考虑为均匀分布，则=∆=∆3仪B合成不确定度：=∆+∆=∆22B A波长λ的测量结果：2．频率f 的数据处理：A 类分量： =--=∆∑)1()(2n n f fi A B 类分量：取信号源误差限，考虑为均匀分布，则 =∆=∆3仪B合成不确定度： =∆+∆22B A频率f 的测量结果： 3．波速v 的数据处理=⋅=f V λ=∆+∆⋅=∆22)()(f V fV λλ不确定度传递为波速测量结果：4．理论值及相对误差的计算由实验室初温和末温：t 1 = 33.6 o c ，t 2 = 33.8 o c 得到温度的平均值为：t 0 = (t 1+t 2)/2 = (33.6+33.8)/2 = 33.7 o c声速的理论值：s m T t T V T T V V /4.35115.2737.3315.2735.311000000=+⨯=+⋅=⋅= 将声速的两次测量值与理论值进行比较，由100⨯-=理理实V V V E r % 5．实验结论：文 - 汉语汉字 编辑词条文，wen ，从玄从爻。
天地万物的信息产生出来的现象、纹路、轨迹，描绘出了阴阳二气在事物中的运行轨迹和原理。
故文即为符。
上古之时，符文一体。
古者伏羲氏之王天下也，始画八卦，造书契，以代结绳(爻)之政，由是文籍生焉。
--《尚书序》依类象形，故谓之文。
超声光栅测量声速实验报告
超声光栅测量声速实验报告一、实验目的1、了解超声光栅产生的原理。
2、学会使用超声光栅测量液体中的声速。
3、掌握分光计的调节和使用方法。
二、实验原理当一束平面超声波在液体中传播时，液体的疏密会发生周期性变化，其折射率也相应地发生周期性变化，形成超声光栅。
设超声波的波长为λs，频率为 fs，波速为 vs，在液体中的传播方向与光的传播方向夹角为θ。
当平行光垂直于超声波传播方向通过液体时，会发生衍射现象。
根据光栅衍射方程，衍射条纹的位置与波长、光栅常数等有关。
在超声光栅中，光栅常数等于超声波的波长λs。
通过测量衍射条纹的间距和角度，可以计算出超声波的波长λs，进而求出声速 vs ＝fs × λs 。
三、实验仪器分光计、超声光栅实验仪、汞灯、测微目镜等。
四、实验步骤1、调节分光计粗调：使望远镜、平行光管和平行平板大致水平，各半调节螺丝处于中间位置。
细调：用自准直法调节望远镜聚焦于无穷远，使望远镜光轴与分光计中心轴垂直；调节平行光管，使其发出平行光，并使其光轴与望远镜光轴重合。
2、连接超声光栅实验仪将超声光栅实验仪与分光计连接好，确保光路畅通。
3、观察超声光栅衍射条纹打开汞灯，让平行光通过超声光栅，在望远镜中观察衍射条纹。
4、测量衍射条纹间距转动望远镜，使叉丝对准衍射条纹的中央明纹，记录此时的角度读数θ1。
依次测量各级衍射条纹的角度读数θ2、θ3 等。
用测微目镜测量衍射条纹的间距。
5、改变频率，重复测量改变超声光栅实验仪的频率，重复上述测量步骤。
五、实验数据及处理1、实验数据记录｜频率（MHz）｜中央明纹角度（°）｜第一级明纹角度（°）｜第二级明纹角度（°）｜条纹间距（mm）｜｜：：｜：：｜：：｜：：｜：：｜｜ f1 ｜θ11 ｜θ12 ｜θ13 ｜ d1 ｜｜ f2 ｜θ21 ｜θ22 ｜θ23 ｜ d2 ｜｜ f3 ｜θ31 ｜θ32 ｜θ33 ｜ d3 ｜2、数据处理根据衍射条纹的角度读数，计算出各级衍射条纹对应的衍射角。
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误差理论与数据处理
研究性教学
课程名称：误差理论与数据处理
设计题目：超声波声速测量的误差分析
院系：机械与电子控制工程学院
班级：测控1103班
设计者：晏雯秀（11222086）赵璐（11222079）
郑海冰（11222081）朱崇巧（11222084）
周杏芳（11222083）
指导教师：孙艳华
超声波声速测量的误差分析
摘要: 针对学生在超声波声速测量实验中存在的测量数据误差的问题, 分析了实验中各种可能的误差来源, 同时也指出了减小误差的相应措施, 使学生对该实验的误差来源更清楚。
关键词: 超声波; 谐振频率; 共振干涉频率; 误差
声波是在弹性媒质中传播的一种机械波。
对声波特性如频率、声速、波长、声压衰减等的测量是声学应用技术中的主要内容之一。
在物理实验中,进行声速测量一般采用的是频率大于20 kHz以上的超声波。
由于其频率高、波长短, 所以超声波具有定向好、功率大、穿透力强、信息携带量大、能引起空化作用以及引起许多特殊效应(如凝聚效应和分离效应) 的优点。
在工业、农业、国防、生物医学和科学研究等各个领域存着广泛的应用,如超声无损检测、超声波测距和定位、测量气体温度瞬间变化、测液体流速、测材料弹性模量等等。
对声速进行测量, 在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要意义。
超声波声速的测量方法一般有共振干涉法和相位比较法两种, 本文主要对共振干涉法中的实验误差作简要分析。
一、共振干涉法原理
超声波声速的测量公式是v = fλ, 其中, f为超声波频率, 等于发射换能器的谐振频率, 可由频率计直接读出; λ 为本实验所要测量的量, 为超声波波长。
基本原理是利用频率计输入电压的激发,通过逆压电效应, 使压电陶瓷片处在共振状态, 使陶瓷体产生机械简谐振动, 从而发射出简谐超声波。
超声波在空气中传播遇到接收换能器反射面发生反射, 反射波与入射波叠加形成驻波, 利用接收换能器对超声波进行接收。
又通过正压电效应, 将机械振动(声信号) 转化成电信号, 从示波器上观察到相应的电信号波形, 两相邻极大值之间的间距为12λ。
由此得到波长值λ, 利用公式计算出超声波的声速v。
二、误差来源
在超声波声速测定的实验教学中, 学生所计算出的超声波声速与该温度下的理论值之间的相对误差往往存在一定的偏离, 针对这种情况, 有必要对误差来源作简要分析, 以便更好地完善、改进该实验。
从实验室所采用的仪器和实验过程来看, 主要误差来源有以下几点:
(1)在发射换能器与接收换能器之间有可能不是严格的驻波场。
由发射换能器的发射面发射的超声波在空气中传播时并不是全以简谐波传播, 而在近场区表现出没有周期性规律的特征, 直到远场区才能近似认为是简谐波, 可是只有入射波为简谐波, 经反射叠加后才能形成驻波, 从而测得两相邻极大值的间距。
当发射面与反射面相距10 cm左右时, 正好处于远场区的开始阶段, 入射波不能近似为标准的简谐波。
因此与反射波叠加后不为标准的驻波, 任意两相邻极大值的间距不等, 导致在不同位置测得的两相邻极大值间的距离λ /2不同, 由此计算所得的超声波声速就会有较大的误差。
而学生在实验过程中往往在发射面与反射面相距3 cm左右便开始正式测量(见表1), 因而会引起一定的测量误差。
(2)在实验中, 有时会观察到示波器上声压极大值的幅度随换能器之间的距离的增大呈几何衰减, 为球面波的特征。
从中可以看出, 测量段声波为球面波, 球面波按汉开克函数展开, 取其实部为贝塞尔函数, 它是不等周期函数, 其极大值之间的间距不等。
(3) 在实验中用接收换能器做反射面也会使测量误差增大, 主要是因为换能器的形状和大小会使其成为声场中的散射体, 从而在空间激起散射波, 影响入射波和反射波的叠加。
(4) 调节超声波的谐振频率时出现误差。
在测量超声波声速过程中, 当信号发生器输出的正弦波频率与声速测量仪发射换能器中压电陶瓷环的固有频率相等时, 该正弦波频率称为谐振频率, 在谐振频率下, 示波器上会出现电压信号的最大值, 发射换能器工作频率等于其本身的谐振基频时, 其工作状态是最佳的, 可以取得最大的发射功率和效率。
而声速测量仪的发射器与接收器的距离为λ /2的整数倍时, 产生共振干涉, 即使不在谐振频率下, 示波器上电压信号也会出现极大值谐振频率与距离为λ /2的整数倍时的共振干涉频率, 是实验中容易混淆的问题, 给谐振频率的调节带来一定的困难。
另外, 声速测量仪中发射器的固有频率,还会随环境温度的升高而降低。
(5) 示波器上判断极大值的位置不准确也会引入人为的和仪器的误差。
三、减小误差的措施
针对以上误差来源, 可采取以下措施尽量减小误差, 从而使测量更加精确。
(1)压电换能器的反射面与接收面距离为1～115 m时开始测量, 这样传播到接收换能器反射面的声波已经为标准的简谐平面波, 从而经反射叠加形成标准驻波, 这样测得的λ /2为常数, 与测量位置无关。
如表 1 所示。
从表中数据分析可以看出, 当所测数据的起始位置大于 1 m时, 所得超声波速度的结果的相对误差要比起始位置小于 1 m时所测结果的相对误差小得多。
(2)在设备上, 使用大功率换能器和电子滤波放大电路也会使误差减小, 而且易于观察记录。
(3) 反射面用硬质材料做成, 尺寸增大, 会使反射效率提高, 也可以减小由反射面产生的散射波对驻波场的影响。
(4) 改变信号发生器的输出频率f, 当连续增大f时, 示波器上的电压信号的大
小也发生变化。
当f接近谐振频率时, 示波器上的电压信号也慢慢达到极大值U, 记下此时的信号发生器的输出频率f; 增大发射换能器与接收换能器的距离, 如果示波器上的电压信号U 继续增大到一最大值, 则表明f不是某个距离时的共振干涉频率, 而是谐振频率。
因为只有同时在谐振频率和共振干涉时, 才会出现电压信号比U更大的最大值, 否则f为该距离时的共振干涉频率。
不同的距离值, 分别对应一个共振干涉频率, 而谐振频率只有一个, 是不随距离的改变而改变的。
所以, 可以找到同时在谐振频率和共振干涉状态时出现电压信号的最大值, 此时的频率也就是谐振频率。
当然, 要测量就会有误差, 而误差的存在与大小将直接影响测量效果, 因此应使测量的误差减小到最低程度, 使测量更有意义。
参考文献
[1]杨建荣, 毛杰健超声波波速测量中谐振频率的调试技巧
[2]孙向辉, 周国辉, 刘金来, 杨吉生关于空气中声速测量实验的讨论。