公共选修大学物理声学实验3

大学物理（3）实验报告题目名称题目名称超声波相关实验学生学院_—土木交通学院专业班级09工程管理1班.学号3109003464学生姓名招志辉指导教师.2011年4月超声波相关实验、引言频率介于20Hz〜20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz〜500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，在日常生活中应用极为广泛。本次实验是让我们在学习大学物理实验的基础上，对超声波的频率、在水中的传播速度，以及其在空气中传播的损耗系数作出探讨、研究，通过实验现象，得出实验结果。二、实验原理超声波发射器当它被超声信号源的电信号激励后由于逆压电效应发生受迫振动，振动频率与电信号激励频率相同，并向周围空气定向发出一近似平面波。超声接受转能器，它受迫振动产生压电效应输出电信号，电信号的频率与超声波的振动频率相同。当发射换能器和接受换能器两个端面相互平行时，超声波形成驻波。通过合成波，测得振幅、损耗系数等数据，最后得出一些超声波相关的结论。三、实验目的较准示波器，测量接受压电换能器接受信号和超声波频率之间的关系；(要求以共振频率为中心频率，以10Hz为变化幅度，分别测量递增和递减时，接受压电换能器接受信号幅度)测量超声波在空气中的损耗系数；测量超声波频率和损耗系数之间的关系；(至少改变三个频率)测量超声波在水中的速度。四、实验仪器SV6型声速测量组合仪。SV5型声速测定专用信号源。CS—4125-2通道示波器。五、实验过程1、校准示波器a）插好示波器的电源线，打开电源开关，电源指示灯亮，待出现扫描线后，调节亮度到适当的位置.b）将微调开关旋钮顺时针旋到校准位置，把伏/度开关旋至0.2V，时间档旋全1MS，最后调节同步开关按钮，使波形稳定（水平方向上大约10格）2、测量接受压电换能器接受信号和超声波频率之间的关系首先，以共振频率f=37092Hz为中心频率，以10Hz为变化幅度，当频率递增时，接受压电换能器接受信号幅度的变化如下表：（灵敏度：0.2V）频率（Hz）变化幅度（伏）频率（Hz）变化幅度（伏）370920.90371420.68371020.84371520.66371120.80371620.62371220.76371720.58371320.72371820.54其次，以共振频率f=37157Hz为中心频率，以10Hz为变化幅度，当频率递减时，接受压电换能器接受信号幅度的变化如下表：（灵敏度：0.2V）频率（Hz）变化幅度（伏）频率（Hz）变化幅度（伏）370920.90370420.65370820.86370320.61370720.82370220.62370620.72370120.52370520.68370020.44把上面的数据输入MATLAB得出下图，可知道变化的幅度电压与频率的关系是一条抛物线。

.9O.585.80..7oo.7n__一一_n56555.9O.585.80..7oo.7n__一一_n56555.60..50.4ooo43o.f-U关系图x10■3.7023.7043.7063708^.7137123.714&.7163.7183.72频率HHZ)①原理：超声波发射器当它被超声信号源的电信号激励后由于逆压电效应发生受迫振动，振动频率与电信号激励频率相同，并向周围空气定向发出一近似平面波。超声接收转能器，它受迫振动后产生压电效应输出电信号，电信号的频率与超声波的振动频率相同。当发射换能器和接收换能器两个端面互相平行时，超声波和回波在两个端面之间产生干涉，形成驻波。超声波和回波干涉以后合成以后，其合成波振幅为⑵：2a。+r2e2a(x「2%)+2Re2ax0COS2k(x.-X0)(])其中a超声波在空气介质中的损耗系数，R为接收换能器的反射系数，Xi为超声波传播的距离，X为回波的反射点，A为反射点回波振幅，A为超声波发射波振幅，k为波矢；由于接受信号在接收换能器端面处，回波反射点始终满足X0=Xj；所以（1）就可以写为：气=A0(1+R)eaxi(2)只要记录一组振幅与传播距离之间的关系就课测量损耗系数和反射系数；采用降阶的方法，对（2）两边取对数就可以得到：lnAln(3)―1—=ln(1+R)+a(3)可以通过标准的直线方程斜率和截距求得损耗系数。②根据实验原理，记录振幅与传播距离间的关系就可测量损耗系数，透过实验示波器上显示的振幅，大胆猜想，振幅的幅度大小可以用下式来表示：A.U.一7一7一.一_、ln=ln=ln(1+R)+axAU'00从上式考虑，一开始，把发射器信号输入示波器测量超声波发射波电压U。，记得数据U0=3V,而此时超声波的频率是f1=37060Hz；②数据处理：测得幅度电压Ui和传播距离Xi的数据如下表：(Xj的单位是mm,u的单位V)i测量次数12345678x0.004.869.3714.3018.6523.4227.9532.77U2.862.412.181.911.811.631.521.41ln(Ui/U「-0.1125-0.2841-0.3851-0.5171-0.5712-0.6759-0.7459-0.8212%*ln(Ui/U。)0.000-1.378-3.642-7.394-10.762-15.831-20.848-26.909(x。20.0023.5289.68204.49355.32548.50781.201073.87根据最小二乘法就可以得到损耗系数为:乙xx乙ln(U/U)-n乙xln(U/U)ii0ii0i=-0.02238(乙x,)2-n乙x：i=1i=1因为中，ln昼=ln(1+r)+ax^，R和a都可以可以通过实验测出，而结果显示R，0a。在研究ln,a,x^三者的关系时，把它们看做一个已知量，这样的话，问题0就可以转化为研究ln(Ui/U。)和传播距离Xi之间的关系，如下图：4、测量超声波频率和损耗系数之间的关系对于问题三，在超声波的频率是固定的情况下，测得幅度电压和传播距离的关系，继而测得损耗系数。同理，通过这种方法，也可以让输入的幅度电压为一个定值，然后改变超声波的频率来探究超声波频率和损耗系数间的关系。这时，把发射器信号输入示波器测量幅度电压Uo=3.30V，改变超声波频率为f1=37300Hz，测得幅度电压U和传播距离X的数据。调整发射器输入电压到5.3V，取超声波的频率分别为f2=37040Hz、f3=37100Hz测量多组幅度电压U和传播距离X。用最小二乘法处理数据可以得到其损耗系数分别为：a=-0.024-4=-0.0211-58=-0.01900123最后，由表格数据（报告后附录有数据）可知，当超声波频率改变时，损耗系数大小基本保持不变，可见超声波在空气中的损耗系数与超声波的频率无关。5、5、测量超声波在水中的传播速度声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但它和声源的振动相位差A4不随时间变化。把示波器置于X-Y方式，在发射波与接收波间形成相位差：△%△中=甲2_甲1=2兀—再者，根据实验数据，采用上面的计算方法，测得超声波在水中的传播速度数据处理t=19.2oc勺=331.45m/sf=37266HZ相位变化为兀位置l.（mm）11l2l3l4017.2435.7849.88相位变化为兀位置l.+4（mm）l5l6l7l869.9499.19116.31137.44△l=l4-l（mm）69.9481.9580.5387.56△l=&人=2x乂u=f•入u=v：i+—-—8800273.15最后，解出v=人f=1490m/s五、总结这次实验，在对探究超声波在空气中的传播速度的情况下，进一步探究超声波在空气中的一些相关数据，以及超声波在水中的传播速度。尽管，实验过程中，遇到不少地困难，但是，在几个同学的协助下，我顺利地测得实验所需要的数据。而且，当我处理数据时，我发现有些数据表面看起来很完美，但是，一旦我计算的时候，其实它的误差是很大的，在图像上表示出来的一条奇怪的折线，让人痛苦不已。最后，迫不得已，我又得重新去实验室操作多几次，然后再取几组数据，经过一段时间，还是取得一些比较符合题意的数据。通过这次实验，我懂得了原来一个物理实验，它并不是一个人说能完成就能完成的，它需要的是团队的合作，而且，操作过程，并不是说能一步到位的，它需要的是时间、耐性，不断操作以达到最小误差，这也是实验的目的。这无疑给我以后做物理实验获得了不少的经验。希望---以后再有机会跟几位跟我合作的同学再次共同探讨物理实验的问题。附录：实验过程4的数据①U=3.2V，f=37301Hz，a=-0.0244测量次数一12一345678x0.004.719.4714.1918.7923.5228.4532.88U2.081.991.861.721.661.581.481.38In(Ui/U0)-0.4316-0.4860-0.5490-0.6221-0.6576-0.7135-0.7727-0.8428x^ln(Ui/U0)0.000-2.289-5.199-8.827-12.357-16.780-21.980-27.709(xj20.0022.1889.67201.35353.04553.17809.411081.09②樵=5.3V，f3=37040Hz，a3=-0.0211测量次数12345678x0.004.659.4113.9418.6623.5028.1632.85U5.104.774.213.613.253.062.982.89ln(U/U0)-0.1269-0.1917-0.3235-0.4750-0.5804-0.6375-0.6672-0.6980xi*ln(Ui/U0)0.000-0.890-3.041-6.621-10.830-14.979-18.790-22.928(x.)20.0021.6188.54194.31348.20552.25792.981079.12③樵=5.3V，f4=37100Hz，a4=-0.0190测量次数12345678x0.004.709.3014.0918.8023.6