声速测量北京化工大学学习教案

1、声速声速(shn s)测量北京化工大学测量北京化工大学第一页，共15页。到声速v。第1页/共14页第二页，共15页。1. 学会学会用共振干涉法和位相法测测量超声声波在空气气中的传传播速度。2. 学会学会使用(shyng)示波器和信号发号发生器。3. 加强对驻对驻波及振动动合成等理论论的理解。一、实验一、实验(shyn)目的目的二、实验二、实验(shyn)(shyn)仪器仪器声速测量仪、示波器、信号发生器等。声速测量仪、示波器、信号发生器等。 第2页/共14页第三页，共15页。仪器仪器(yq)简介简介1 1、超声声速测定仪、超声声速测定仪: :主要由两个超声压电换能器和游标卡主要由两个超声压电换

2、能器和游标卡尺组成；超声压电换能器可以实现声压和电压之间的尺组成；超声压电换能器可以实现声压和电压之间的相互转换，分别用于发射和接收超声波；游标卡尺用相互转换，分别用于发射和接收超声波；游标卡尺用来测量声波发射面和接收面之间的距离。来测量声波发射面和接收面之间的距离。 2 2、函数信号发生器：提供适当频率的正弦、函数信号发生器：提供适当频率的正弦(zhngxin)(zhngxin)电电信号给压电换能器来发射超声波。信号给压电换能器来发射超声波。 3 3、双踪示波器：、双踪示波器： （1 1）观察和测量接收换能器将声压转换成的电信号；）观察和测量接收换能器将声压转换成的电信号； （2 2）观察发

3、射电信号和接收电信号两个相互垂直简谐）观察发射电信号和接收电信号两个相互垂直简谐振动叠加产生的李萨如图形，测量相位差。振动叠加产生的李萨如图形，测量相位差。 第3页/共14页第四页，共15页。 由波动动理论论可知，波速与与波长长、频频率有如下关关系：v = f v = f ，只要知道频频率和波长长就可以求出波速。本实验实验通过过低频频(dpn)(dpn)信号发号发生器控制换换能器，信号发号发生器的输输出频频率就是声声波频频率。声声波的波长长用共振干涉法（驻驻波法）和相位比较较法（行波法, ,李萨萨如图图形法）测测量。三、原理(yunl)（1 1） 驻波驻波(zh b)(zh b)法测波长法测波

4、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：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： 第4页/共14页第五页，共15页。 叠叠加后合成(hchng)(hchng)波为为： )(2cos1vxtAX )(2cos2vxtAX ftxAX 2cos)2cos2( 相邻两波腹（或波节）的相邻两波腹（或波节）的距离均为距离均为2 （2 2） 相位比较相位比较(bjio)(bjio)法法 a a、行波法、行波法 直接比较直接比较(bjio)(bjio)发射器发射器S1S1的信号和接收器的信号和接收器S2S2的信号，的信号，S1S

5、1 输入到输入到Y1Y1与地之间，与地之间，S2S2输入到输入到Y2Y2与地之间。示波与地之间。示波 器上出现器上出现 第5页/共14页第六页，共15页。 两个波形，当移动S2时，相应的波形也发生变化，而与S1相应的波形不动。因此，在移动时，总可以找出一系列同相点（极大值对齐极大值，极小值对齐极小值），两点之间的间隔为 。 b、李萨如图形法 从换能器S1发出的超声波到达(dod)接收器S2，所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差： 其中 是波长，x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变 。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。 x2 2 第6页/共14页第七页，共15页。

6、反向反向(fn xin)(fn xin)点和同相点的判断图形点和同相点的判断图形0 第7页/共14页第八页，共15页。四、实验四、实验(shyn)步步骤骤（1 1）超声声速测定仪）超声声速测定仪: :游标卡尺读数精度游标卡尺读数精度0.01mm0.01mm，按下黄键复零，调节蓝键，使显示，按下黄键复零，调节蓝键，使显示mmmm，测量之前一定要复位。，测量之前一定要复位。（2 2）从两换能器相距）从两换能器相距1cm1cm左右开始，由近及远移动接收换能器，观察示波器上的接收信号的变化情况左右开始，由近及远移动接收换能器，观察示波器上的接收信号的变化情况(qngkung)(qngkung)，记下第

7、，记下第1 1、2 2、3 3、1212个出现正弦波极大值时接收换能器的位置即游标卡尺的读数个出现正弦波极大值时接收换能器的位置即游标卡尺的读数L1L1、L2L2、L3L3、L12L12。（3 3）同上，出现同相点（极大值对齐极大值，极小值对齐极小值）时，记下游标卡尺的读数。）同上，出现同相点（极大值对齐极大值，极小值对齐极小值）时，记下游标卡尺的读数。（4 4）观察示波器上李萨如图形的变化情况）观察示波器上李萨如图形的变化情况(qngkung)(qngkung)，记下出现直线时游标卡尺的读数，记下出现直线时游标卡尺的读数L1L1、L2L2、L3L3、L12L12。 第8页/共14页第九页，共

8、15页。次数次数L Li i( (mmmm) )i i=1/3=1/3L Li+6i+6- -L Li i123456789101112 实验(shyn)结果： V实验(shyn)值 = m/s. 驻波驻波(zh(zh b b)法法数据处理数据处理 f = _kHz f = _kHz 室温室温(sh wn) t =_ (sh wn) t =_ V V理论值理论值 = _m/s = _m/s第9页/共14页第十页，共15页。（6）先找到共振频率）先找到共振频率f0 驻波法驻波法 方式方式“Y2”,内触发内触发(chf)“Y2” 行波法行波法 方式方式“交替交替”,内触发内触发(chf)“Y1”

9、李萨如法李萨如法 “X-Y”（5 5）记记下室温温(sh wn)t(sh wn)t，根据声声速的理论论公式计计算tt时声时声速的理论值论值： 式中：T = (t+273.15)K;V0 = 331.45m/s(T = (t+273.15)K;V0 = 331.45m/s(为为T0= T0= 273.15K273.15K时时的声声速) )。V V的单单位为为m/sm/s。 15.2731000tVTTVV 第10页/共14页第十一页，共15页。1、确保换换能器S1和S2端面的平行(pngxng)，信号发号发生器的输输出端严严防“短路”。 2、使用游标标尺测测量移动动距离时时，必须轻须轻而缓缓慢地

10、调节调节，手勿压压游标标尺。 3、信号发号发射器的信号输号输出幅度不要过过大，避免仪仪器过热过热而损损坏。4、实验时实验时要使函数数信号发号发生器的输输出频频率等于换换能器的谐谐振频频率，并并且在实验过实验过程中保持不变变。 五、五、注意事项项第11页/共14页第十二页，共15页。1、按讲义要求，分别处理三组(snz)数据：数数据处处理要求(yoqi)(yoqi)： ),(),(),(vsvfsfs ,1 .0)(,1 .0)(0000 ffsffs利用利用(lyng)(lyng)误差传递公式。误差传递公式。直接测量算术平均值的实验标准差直接测量算术平均值的实验标准差)1()()(12 nnxxsnii n5其中)(vs第12页/共14页第十三页，共15页。),(,vsvvfv vvvsvssffssvfsfvvvs )()(, )(