实验24超声波声速的测量

实验24超声波声速的测量［实验目的］学习用共振干涉法和相位比较法测量超声波的波速。加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。了解压电陶瓷换能器的工作原理。培养综合运用仪器的能力。［实验原理］本实验中，声波频率f可由信号发生器直接读出，我们只要测出声波波长A,就可以由公式v=fA可求出声速u。测量A的常用方法有共振干涉法和相位比较法。一、 共振干涉法(驻波法)'图24-1 S'实验装置如图24-1所示，椿和S2是两只相同的压电陶瓷超声换能器。将正弦电压信号接入换能器S1,S1将发射出平面超声波。换能器S'图24-1 S'换能器S2在接收超声波的同时，还反射一部分超声波。当S1和S2端面之间距离x，恰好等于超声波半波长的整数倍时，即：人.一 ，一..、x=n, (n=1,2, ) (24-1)2在S1和S2之间的区域内将因干涉而形成驻波。由于波节两侧质点的振动反相，所以在纵波产生的驻波中，波节处介质的疏密变化最大，声压最大，转变为电信号时，将会有幅值最大的电信号。本实验中S1为波节，固定S］,连续移动S2，增大S2与S1的间距x，每当x满足(24-1)式时，示波器将显示出幅值最大的电压信号，记录这些波节(S2)的坐标，则两个相邻波节之差即为半波长。二、 相位比较法实验装置如图24-1所示，S1发出的超声信号经空气传播到达接收器S2,S2接收的信号与S1发射的信号之间存在相位差华△平=Rx (24-2)X

问=0 回=n/2 △眩=n问问=0 回=n/2 △眩=n问=3n/2△眩=2n图24-2这样，对于确定的间距X，示波器上将有两个同频率、振动方向相互垂直、相位差恒定的两个振动进行合成，从而形成李萨如图形。连续移动s2，增大S2与S1的间距X，可使相位差变化。当M=0,n/2,n,3n/2,2n时，李萨如图形依次出现图24-2所示的形状。因此，当相位差从网=0变化到网=n时，李萨如图形从“/”变化到“\”，相应的间距x的改变量为半个波长；同理，当相位差从网=n变化到网=2n时，李萨如图形从“\”变化到“/”，相应的间距X的改变量也是半个波长，由此测得波长。［实验内容及步骤］一、 仪器调整二、 共振干涉法测声速把信号频率设定为共振频率。将S2移到接近S1处。从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动S2，当示波器上出现振幅最大的波形时，从数显尺（或机械刻度）上读出读数x0。沿同一方向，再次移动S2，逐个记录振幅最大时的位置x0,%,x2，…，x7，共8个。将数据记入表格24-1，并记录实验时的室温匚计算波长、声速和误差。三、 相位比较法测声速将信号频率设定为共振频率。调整示波器，在水平方向接入发射端波形，在垂直方向接入接收端波形，使示波器上显示出椭圆形李萨如图形。缓慢移动S2，观察示波器屏幕上是否出现斜线-椭圆-斜线的图形变化。从约3cm间距开始，由近至远缓慢移动S2,使示波器上出现一正斜率直线“/”（或负斜率直线“\”），记下相应的读数x0。移动S2，逐渐增大间距，使示波器屏幕上交替地出现直线V和“/”，依次记录其位置％,x2，…，x7,共8个。将数据记入表格24-2,并记录实验时的室温《。计算波长、声速和误差。

［数据表格］表24-1共振干涉法测声速t=23.5°C,f=37172Hz次数01234567xn(cm)0.3320.8061.2691.7362.2142.6863.1513.619ln=xn+4-xn(cm)x4-x0=1.882x5-x1=1.880x6-x2=1.882x7-x3=1.883表24-1共振干涉法测声速t=23.5C,f=37172Hz次数01234567xn(cm)0.2360.7011.1851.6452.1022.5753.0573.520ln=xn+4-xn(cm)x4-x0=1.876x5-x1=1.874x6-x2=1.872x7-x3=1.875［数据处理］一、共振干涉法测声速/=-切l=-xG.882+1.880+1.882+1.883)=1.882cmi=1厂=11=1x1.882=0.941cm2 2u =Xf=0.941x10-2x37172=349.8m/s实验t+273.15 23.5+273.15u理论=331.45,习3任=331.45x.―卫任—=345.4m/sE=。郴-U理论x100%= 34'4x100%=1.274%牝1%ru 345.4理论二、相位比较法测声速l=1切l=-xG.876+1.874+1.872+1.875)=1.874cmi=1—17 1…一八…X=l=x1.87