西安交大物理仿真实验实验报告

西安交通大学实验报告

第1 页（共10 页）课程：_____大学物理实验____ 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、和接收方法；

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。

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：

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，Auto-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，左边的换能器是固定的，右边的换能器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。我们采用驻波法和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 ；

以此类推，读出多组数据，记录如下所示:

14.36mm19.54mm24.88mm29.98mm35.28mm 40.42mm45.66mm50.74mm55.94mm61.12mm 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-35.28m m-40.42mm-45.66mm-50.74mm-55.94mm+61.12mm+66.36mm+71.56mm+76.82m