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声速的测定实验 实验指导及操作说明书

声速的测定实验   实验指导及操作说明书
声速的测定实验   实验指导及操作说明书

ZKY-SS型声速测定实验仪技术说明书

【概述】

ZKY—SS型声速测定实验仪是为测量在空气、液体中声波传播速度而设计的专用仪器。仪器可用于大学基础物理实验,是振动与波、压电陶瓷应用、示波器应用和声纳技术应用的一个好实验。

ZKY—SS型声速测试仪不但覆盖了基础物理声速实验中常用的二种测试方法,还可以用工程中实际使用的声速测量方法—时差法进行测量。

在时差法工作状态下,使用示波器,可以明显地观察声波在传播过程中经过多次反射、叠加而产生的混响波形。

ZKY—SS型声速测试仪有ZKY—SSA型和ZKY—SSB型两个子型号产品。【实验装置介绍】

实验仪由超声实验装置(换能器及移动支架组合)和声速测定信号源组成;

超声实验装置中发射器固定,摇动丝杆摇柄可使接收器前后移动,以改变发射器与接收器的距离。丝杆上方安装有数字游标尺(带机械游标尺),可准确显示位移量。整个装置可方便的装入或拿出水槽。

声速测定信号源面板上有一块LCD显示屏用于显示信号源的工作信息;还具有上下、左右按键,确认按键、复位按键、频率调节旋钮和电源开关。上下按键用作光标的上下移动选择,左右按键用作数字的改变选择,确认按键用作功能选择的确认以及工作模式选择界面与具体工作模式界面的交替切换。

同时还有超声发射驱动信号输出端口(简称TR,连接到超声波发射换能器)、超声发射监测信号输出端口(简称MT,连接到示波器显示通道1)、超声接收信号输入端口(简称RE,连接到超声波接收换能器)、超声接收信号监测输出端口(简称MR,连接到示波器显示通道2)。

声速测定信号源具有选择、调节、输出超声发射器驱动信号;接收、处理超声接收器信号;显示相关参数:提供发射监测和接收监测端口连接到示波器等其它仪器等功能。

开机显示欢迎界面后,自动进入按键说明界面。按确认键后进入工作模式选择界面,可选择驱动信号为连续正弦波工作模式(共振干涉法与相位比较法)或脉冲波工作模式(时差法)。

选择连续波工作模式,按确认键后进入频率与增益调节界面;在该界面下将显示输出频率值;发射增益档位,接收增益档位等信息,并可作相应的改动。

选择脉冲波工作模式,按确认键后进入时差显示与增益调节界面;在该界面下将显示超声波通过目前超声波换能器之间的距离所需的时间值;发射增益档位,接收增益档位等信息,并可作相应的改动。

用频率调节旋钮调节频率,在连续波工作模式下显示屏将显示当前输出驱动信号的频率值。

增益可在0档到3档之间调节,初始值为2档;发射增益调节驱动信号的振幅;接收增益将调节接收信号放大器的增益,放大后的接收信号由接收监测端口输出。以上调节完成后就可进行测量了。

改变测量条件可按确认键,将交替显示模式选择界面或频率(时差显示)与增益调节界面。按复位键将返回欢迎界面。

【仪器配套与附件】

ZKY_SSA型:

1.超声实验装置(换能器及移动支架组合、机械尺) ZKY-SSA 一台

2.声速测定仪信号源 ZKY-SS 一台

3.信号连接电缆两条

4.电源连接电缆一条

5.使用说明书一本

6.备用保险管1.25A(已装于电源插座保险备管座内)一个

ZKY_SSB型:

1.超声实验装置(换能器及移动支架组合、数显尺) ZKY-SSB 一台

2.声速测定仪信号源 ZKY-SS 一台

3.信号连接电缆两条

4.电源连接电缆一条

5.使用说明书一本

6.备用保险管1.25A(已装于电源插座保险备管座内)一个选购件:

1.水槽(选购件)一个

2.固体试样(选购件)一套

【主要技术参数】

1. 超声实验装置(ZKY-SSA和ZKY-SSB):

1.1环境适应性:工作温度10—35℃:相对湿度25-75%。

1.2配对压电陶瓷换能器:谐振频率:37±2kHz;可承受的连续电功率不小于10W。

1.3两换能器之间测试距离:50—250mm

1.4外形:测试架外形尺寸:500mmXl00mmXl70mm

2. 声速测试仪信号源(ZKY-SS):

2.1 连续波频率范围:30kHz一45kHz,分辨率:1Hz,5位数字显示

2.2 脉冲调制信号源

载波信号频率范围:同连续波频率范围

脉冲调制波宽度: 16个载波周期

脉冲调制波周期: 16ms

2.3计时范围:0.1us—10ms, 分辨率:0.lus,5位数字显示

2.4激励输出电压:

最大输出电压:15Vp-p;最大输出功率:2W ,四档可调

2.5接收信号放大器:四档可调,放大倍率:1,2,5,10

2.6抗电强度: 50Hz正弦波500V电压1 min耐压试验。

2.7工作电压:交流220V(±10%)最大工作电流:0.1A

2.8仪器外形尺寸: 280mmX320mmX140mm

3. 选购件:

【维护保养和注意事项】

a) 仪器不使用时,应存放空气温度在0~35℃的室内架子上;

架子离地高度大于100mm;

b) 每次使用完毕后,用干燥清洁的抹布将测试架及螺杆清洁干净;

c) 仪器应在清洁干净的场所使用,避免阳光直接暴晒和剧烈颠震;

d) ZKY-SS型超声实验装置测试机架为有机玻璃制作,使用时

应谨慎,以防止发生意外;

e) 使用时,应避免声速测试仪信号源的信号输出端短路;

ZKY—SS型声速测定实验仪的保修期为一年。

声速的测定

【实验目的】

1.了解超声换能器的工作原理和功能

2.学习不同方法测定声速的原理和技术

3.熟悉测量仪和示波器的调节使用

4.测定声波在空气及水中的传播速度

【实验仪器】

1.ZKY—SS型声速测定实验仪一台

2.双踪示波器一台

【实验原理】

声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。声波在媒质中传播时,声速,声衰减等诸多参量都和媒质的特性与状态有关,通过测量这些声学量可以探知媒质的特性及状态变化。例如,通过测量声速可求出固体的弹性模量;气体、液体的比重、成分等参量。

在同一媒质中,声速基本与频率无关,例如在空气中,频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。由于超声波具有波长短,易于定向发射,不会造成听觉污染等优点,我们通过测量超声波的速度来确定声速。超声波在医学诊断,无损检测,测距等方面都有广泛应用。

声速的测量方法可分为两类:

第一类方法是直接根据关系式V=S/t,测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速,称为“时差法”,这是工程应用中常用的方法。

第二类方法是利用波长频率关系式V=f·λ,测量出频率f和波长λ来计算出声速,测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”,本实验用三种方法测量气体和液体中的声速。

1.压电陶瓷换能器

压电材料受到与极化方向一致的应力F时,在极化方向上会产生一定的电场巳它们之间有线性关系E=g·F 。反之,当在压电材料的极化方向上加电压E时,材料的伸缩形变S与电压E也有线性关系S=a·E,比例系数g、a称为压电常数,它与材料性质有关。本实验采用压电陶瓷超声换能器将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动。压电陶瓷片是换能器的工作物质,它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡,锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属组成的夹心型振子,就构成了换能器.由于振子是以纵向长度的伸缩,直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩,这样所发射的声波,方向性强,平面性好。每一只换能器都有其固有的谐振频率,换能器只有在其谐振频率,才能有效的发射(或接收)。实验时用一个换能器作为发射器,另一个作为接收器,二换能器的表面互相平行,且谐振频率匹配。

2.共振干涉(驻波)法测声速

到达接收器的声波,一部分被接收并在接收器电极上有电压输出,一部分被向发射器方向反射。由波的干涉理论可知,两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波,驻波中振幅最大的点称为波腹,振幅最小的点称为波节,任何两个相邻波腹(或两个相邻波节)之间的距离都等于半个波长。改变两只换

能器间的距离,同时用示波器监测接收器上的输出电压幅度变化,可观察到电压幅度随距离周期性的变化。记录下相邻两次出现最大电压数值时游标尺的读数。两读数之差的绝对值应等于声波波长的二分之一。已知声波频率并测出波长,即可计算声速。实际测量中为提高测量精度,可连续多次测量并用逐差法处理数据。

换能器移动方向

3. 相位比较(行波)法测声速

当发射器与接收器之间距离为L 时,在发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号之间将有相位差 Φ=2πL/λ=2πn+ΔΦ。

若将发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号分别接到示波器的X 及Y 输入端,则相互垂直的同频率正弦波干涉,其合成轨迹称为李萨如图,如图1所示。

当接收器和发射器的距离变化等于一个波长时,则发射与接收信号之间的相位差也正好变化一个周期(即ΔΦ=2π),相同的图形就会出现。反之,当准确观测相位差变化一个周期时接收器移动的距离,即可得出其对应声波的波长λ,再根据声波的频率,即可求出声波的传播速度。

ΔΦ=0 ΔΦ=π/4 ΔΦ=π/2 ΔΦ=3π/4 ΔΦ=π ΔΦ=5π/4 ΔΦ=3π/2 ΔΦ=7π/4

图1 相位差不同时的李萨如图

4. 时差法测量声速

若以脉冲调制正弦信号输入到发射器,使其发出脉冲声波,经时间t 后到达距离L 处的接收器。接收器接收到脉冲信号后,能量逐渐积累,振幅逐渐加大,脉冲信号过后,接收器作衰减振荡,如图2所示。t 可由测量仪自动测量,也可从示波器上读出。实验者测出L 后,即可由V=L /t 计算声速。 【实验内容与步骤】 一、声速测定仪系统的连接与工作频率调节。

1.连接装配(如图3所示)。超声实验装置和声速测定仪信号源及双踪示波器之间的连接如下:

1.1测试架上的换能器与声速测定信号源之间的连接:

信号源面板上的发射驱动端口(TR),用于输出一定频率的功率信号,请接至测试架左边的发射换能器(定子);仪器面板上的接收换能器信号输入端口(RE),请连接到测试架右边的接收换能器(动子)。

1.2示波器与声速测定信号源之间的连接:

信号源面板上的超声发射监测信号输出端口(MT)输出发射波形,请接至双踪示波器的CHl(Y 通道),用于观察发射波形;仪器面板上的超声接收监测信号输出端口输出接收的波形,请接至双踪示波器的CH2(X 通道),用于观察接收波形。

图2 时差的测量

2.在接通市电开机后,显示欢迎界面后,自动进入按键说明界面。按确认键后进入工作模式选择界面,可选择驱动信号为连续正弦波工作模式(共振干涉法与相位比较法)或脉冲波工作模式(时差法);在工作模式选择界面中选择驱动信号为连续正弦波工作模式,在连续正弦波工作模式中是信号源工作预热15分钟。

3.调节驱动信号频率到压电陶瓷换能器系统的最佳工作点

只有当发射换能器的发射面与接收换能器的接收面保持平行时才有较好的系统工作效果。为了得到较清晰的接收波形,还须将外加的驱动信号频率调节到发射换能器的谐振频率点处时,才能较好的进行声能与电能的相互转换,以得到较好的实验效果。

按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率估计一下示波器的扫描时基并进行调节,使在示波器上获得稳定波形。以目前使用的换能器的标称工作频率而言,时基选择在5-20us/div会有较好的显示效果。

超声换能器工作状态的调节方法如下:在仪器预热15分钟并正常工作以后,首先自行约定超声换能器之间的距离变化范围,再变化范围内随意设定超声换能器之间的距离,然后调节声速测定仪信号源输出电压(10—15Vpp之间),调整信号频率(在30--45kHz),观察频率调整时接收波形的电压幅度变化,在某一频率点处(34kHz一38kHz之间)电压幅度最大,这时稳定信号频率,再改变超声换能器之间的距离,改变距离的同时观察接收波形的电压幅度变化,记录接收波形电压幅度的最大值和频率值;再次改变超声换能器间的距离到适当选择位置,重复上述频率测定工作,共测多次,在多次测试数据中取接收波形电压幅度最大的信号频率作为压电陶瓷换能器系统的最佳工作频率点。

二、用共振干涉法测量空气中的声速

按第一条的要求完成系统连接与调谐,并保持在实验过程中不改变调谐频率。

将示波器设定在扫描工作状态,扫描速度约为lOus/格,信号输入通道输入调节旋钮约为1v/格(根据实际情况有所不同),并将发射监测输出信号输入端设为触发信号端。

信号源选择连续波(Sine-Wave)模式,建议设定发射增益为2档、接收增益为2档,或

增益设定见注二。

摇动超声实验装置丝杆摇柄,在发射器与接收器距离为5厘米附近处,找到共振位置(振幅最大),作为第1个测量点。按数字游标尺的归零(ZERO)键,使该点位置为零(对于机械游标尺而言,以此时的标尺示值作始点)。摇动摇柄使接收器远离发射器,每到共振位置均记录位置读数,共记录10组数据于表1中。

接收器移动过程中若接收信号振幅变动较大影响测量,可调节示波器的通道增益旋钮,使波形显示大小合理。

三、用相位比较法测量空气中的声速

按第一条的要求完成系统连接与调谐,并保持在实验过程中不改变调谐频率。

信号源选择连续波(Sine-Wave)模式,建议设定发射增益为2档、接收增益为2档,或增益设定见注二。

将示波器在设定X-Y工作状态。将信号源的发射监测输出信号接到示波器的X输入端,并设为触发信号,接收监测输出信号接到示波器的Y输入端, 信号输入通道输入调节旋钮约为1v/格(根据实际情况有所不同)。

在发射器与接收器距离为5厘米附近处,找到ΔΦ= 0的点,作为第1个测量点。按数字游标尺的归零(ZERO)键,使该点位置为零(对于机械游标尺而言,以此时的标尺示值作始点)。摇动摇柄使接收器远离发射器,每到ΔΦ=0时均记录位置读数,共记录10组数据于表2中。

接收器移动过程中若接收信号振幅变动较大影响测量,可调节示波器Y通道增益旋钮,使波形显示大小合理。

四、用相位比较法测量水中的声速

测量水中的声速时,将实验装置整体放入水槽中,槽中的水高于换能器顶部1—2厘米。

按第一条的要求完成系统连接与调谐,并保持在实验过程中不改变调谐频率。

信号源选择连续波(Sine-Wave)模式,设定发射增益为0,接收增益调节为0档。将示波器在设定X-Y工作状态。将信号源的发射监测输出信号接到示波器的X输入端,并设为触发信号,接收监测输出信号接到示波器的Y输入端, 信号输入通道输入调节旋钮约为1v/格(根据实际情况有所不同)。

在发射器与接收器距离为3厘米附近处,找到ΔΦ= 0(或π)的点,作为第1个测量点。按数字游标尺的归零( ZERO )键,使该点位置为零(对于机械游标尺而言,以此时的标尺示值作始点)。摇动摇柄使接收器远离发射器,接收器移动过程中若接收信号振幅变动较大影响测量,可调节示波器Y衰减旋钮。由于水中声波长约为空气中的5倍,为缩短行程,可在ΔΦ= 0;π处均进行测量,共记录8组数据于表4中。

五、用时差法测量水中的声速

按第一条的要求完成系统连接与调谐,并保持在实验过程中不改变调谐频率。

信号源选择脉冲波工作模式,设定发射增益为2,接收增益调节为2档。将发射器与接收器距离为3厘米附近处,作为第1个测量点。按数字游标尺的归零(ZER0)键,使该点位置为零(对于机械游标尺而言,以此时的标尺示值作始点),并记录时差。摇动摇柄使接收器远离发射器,每隔20毫米记录位置与时差读数,共记录10点于表5中。

也可以用示波器观察输出与输入波形的相对关系。将示波器在设定扫描工作状态,扫描速度约为0.2ms/格, 发射信号输入通道调节为1v/格,并设为触发信号,接收信号输入通道调节为0.1v/格(根据实际情况有所不同)。

注:一:关于固体中声速的测量的说明:由于被测固体样品的长度不能连续变化,因此只能采用时差法进行测量。为了增强测量的可靠性,在换能器端面及被测固体的端面上涂上声波耦合剂,建议采用医用超声耦合剂。测量方法可

参考第四、第五条。

二:在水中共振法测量声速的效果较差,接收波形的幅度变化不明显,根据对实验数据分析,我们认为是由于水介质与接收头对声波的特性阻抗相接近,反射信号弱,从而导致了驻波现象的不明显。故无法做水介质中共振干涉法测量声速的实验。

三:在空气中建议使用共振干涉法和相位比较法测量声速,水中建议使用相位比较法,时差法测量声速,固体中只能使用时差法测量声速。

四:发射、接受增益的大小应在监测信号不失真的原则下设定。

声速测量实验报告

大学物理实验课教案 俸永格(136********) 教学题目:声速的测量 教学对象:10级电子信息班、10动医学班、10级农机班、10级植保班。授课地点:海南大学基础实验楼2610室。 教学重点:让学生了解测量超声波在媒介中传播速度的实验设计思想和实验方法。 教学难点:让学生熟练掌握双踪示波器、SV5/7测试仪、SV8信号源的协调使用并完成两正交信号相位差的多次测量。 一实验目的: (1)加深对驻波及振动合成等理论知识的理解, (2)掌握用驻波法、相位法测定超声波在媒介中的传播速度, (3)了解压电换能器的工作原理,进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示波器观测物理参数的综合运用能力。 二实验仪器: GW-680双踪示波器一台,SV8信号发生器一台,SV7测试仪一台,同轴电缆若干。 三实验原理 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波(频率超过2×104Hz的声波)传播速度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。 (一)驻波法测量声速基本原理 如图所示为两列同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形,其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹(节)

间距X的测量便可实现对波长λ的间接测量,结合对驻波谐振频率f的测量便可间接求算声波的传播速度v。 v = λ×f λ=2X v = 2X×f 原理图示1(驻波法原理图) (二)相位法测量声速基本原理 请同学们自行完成!要求体现以下两个方面的内容! (1)简谐振动正交合成的基本原理, (2)利用李萨如图形的相位差特点间接测量声速的基本原理。 四实验内容与步骤 (一)驻波法测声速 实验连线图示1(驻波法) (1)了解测试仪的基本结构,调节两个换能器的间距5cm左右。 (2)初始化示波器面板获得扫描线。 (3)按图示1正确连线,将示波器的扫描灵敏度与通道1垂直灵敏度旋钮分别调至适当档位,缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹位置

声速的测定实验报告

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: Λ Λ3,2,1,2 ==n n L 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: () 22 2 11λ λ λ = ? -+=-=?+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: ()()φφφφ122122122 12 2-=-- ???? ??+???? ??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。当相位差 12=-=?φφφ时,由(5)式,得 x A A y 12=,即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线[参见图16—2(a)]。

声速测定实验报告

【实验目的】 1.了解压电换能器的功能,加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。 2.学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。 3.通过用时差法对多种介质的测量,了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。 【实验原理】 在波动过程中波速V 、波长λ和频率f 之间存在着下列关系:λ?=f V ,实验中可通过测定声波的波长λ和频率f 来求得声速V 。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系:t V L ?= ,只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V ,这就是时差法测量声速的原理。 1.共振干涉法(驻波法)测量声速的原理: 当二束幅度相同,方向相反的声波相交时,产生干涉现象,出现驻波。对于波束1:)/X 2t cos(A F 1λ?π-ω?=、波束2:()λ?π+ω?=/X 2t cos A F 2,当它们相交会时,叠加后的波形成波束3:()t cos /X 2cos A 2F 3ω?λ?π?=,这里ω为声波的角频率,t 为经过的时间,X 为经过的距离。由此可见,叠加后的声波幅度,随距离按()λ?π/X 2cos 变化。如图28.1所示。 压电瓷换能器1S 作为声波发射器,它由信号源供给频率为数千周的交流电信号,由逆压电效应发出一平面超声波;而换能器2S 则作为声波的接收器,正压电效应将接收到的声压转换成电信号,该信号输入示波器,我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。声源1S 发出的声波,经介质传播到2S ,在接收声波信号的同时反射部分声波信号,如果接收面(2S )与发射面(1S )严格平行,入射波即在接收面上垂直反射,入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器2S 处的振动情况。移动2S 位置(即改变1S 与2S 之间的距离),你从示波器显示上会发现当2S 在某些位置时振幅有最小值或最大值。根据波的干涉理论可以知道:任何二相邻的振幅最

声速测量实验报告

声速测量实验报告 【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.学会用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。 【实验仪器】 信号发生器、双踪示波器、声速测定仪。 【实验原理】 声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为: 可见,只要测出声波的频率f和波长 ,即可求出声速。f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,实验中可以采用驻波法和相位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

声速测量实验报告.doc

声速测量实验报告 只有通过实验才能知道结果,那么,下面是我给大家整理收集的声速测量实验报告,供大家阅读参考。 声速测量实验报告1 实验目的:测量声音在空气中的传播速度。 实验器材:温度计、卷尺、秒表。 实验地点:平遥县状元桥东。 实验人员:爱物学理小组 实验分工:张x——测量时间 张x——发声 贾x——测温 实验过程: 1 测量一段开阔地长; 2 测量人在两端准备; 3 计时员挥手致意,发声人准备发声; 4 发生人向上举手,同时发声,计时员计时(看到举手始,听到声音止) 5 多测几次,记录数据。 实验结果: 时间17∶30 温度21℃

发声时间 0.26″ 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。 声速测量实验报告2 一实验目的: (1)加深对驻波及振动合成等理论知识的理解, (2)掌握用驻波法、相位法测定超声波在媒介中的传播速度, (3)了解压电换能器的工作原理,进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示波器观测物理参数的综合运用能力。 二实验仪器: 双踪示波器一台,信号发生器一台,测试仪一台,同轴电缆若干。 三实验原理 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波(频率超过2×10Hz 的声波)传播速度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。 (一)驻波法测量声速基本原理 如图所示为两列同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形,其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹(节)间距X的测量便可实现对波长λ的间接测量,结合对驻波谐振频率f的测量便可间接求算声波的传播速度v。 v = λ × f λ=2X v = 2X × f

超声波测声速实验报告

实验名称:超声波测声速实验报告 一、实验目的 (1)、了解超声波的发射和接收方法。 (2)、加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。 (3)、掌握用干涉法和相位法测声速。 二、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。 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:

的各点振幅最大,称为波腹,对应的位置: ( n =0,1,2,3……) 的各点振幅最小,称为波节,对应的位置: ( n =0,1,2,3……) 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。 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:φ=2∏x/λ,其中λ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2∏。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。 三、实验仪器 超声声速测定仪:主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。函数信号发生器:提供一定频率的信号,使之等于系统的谐振频率。示波器:示波器的x, y轴输入各接一个换能器,改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的李萨如图形。并由此可测得当前频率下声波的波长,结合频率,可以求得空气中的声速。 四、实验内容

1.调整仪器使系统处于最佳工作状态。 2.用驻波法(共振干涉法)测波长和声速。 3.用相位比较法测波长和声速。 五、实验数据及处理: f=34kHz; Vp-p=5V; L=3.976cm; 六、实验结论: 波长λ=1.0612cm; 由此声速经测算为v=(354±3)m/s; U=0.8% 七、思考题: 1.固定距离,改变频率,以求声速。是否可行? 答:不行,由“v = f λ”,距离一定后使得波长无法计算。 2.各种气体中的声速是否相同?为什么? 答:不同,因为不同气体的密度不同,声波在不同介质中波长改变,根据公式可得结论。 如有侵权请联系告知删除,感谢你们的配合!

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:v f λ=? (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,图中和为压电晶体换能器,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;为超声波接收器,声波传至它的接收面上时,再被反射。当和的表面近似平行时,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 (3) 时,发出的声波与其反射声波的相位在处差(n=1,2 ……),因此形成共振。 因为接收器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,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。

声速的测量实验报告

声速的测量实验报告 声速的测量实验报告 1 实验目的:测量声音在空气中的传播速度。 实验器材:温度计、卷尺、秒表。 实验地点:平遥县状元桥东。 实验人员:爱物学理小组 实验分工:张灏、成立敬测量时间 张海涛发声 贾兴藩测温 实验过程: 1 测量一段开阔地长; 2 测量人在两端准备; 3 计时员挥手致意,发声人准备发声; 4 发生人向上举手,同时发声,计时员计时(看到举手始,听到声音止) 5 多测几次,记录数据。 实验结果: 时间 17∶30 温度 21℃ 发声时间 0.26 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。

声速的测量实验报告2 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 v88 (式中8088cp cV (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(11.710-6)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 =28.9668710-3kg/mol b.在标准状态下(T088273.15 K,p88101.388kPa),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 v88v0 (2)

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声速的测量实验报告 不会写声速的测量实验报告的朋友,下面请看我给大家整理收集的声速的测量实验报告,仅供参考。 声速的测量实验报告1 实验目的:测量声音在空气中的传播速度。 实验器材:温度计、卷尺、秒表。 实验地点:平遥县状元桥东。 实验人员:爱物学理小组 实验分工:张灏、成立敬——测量时间 张海涛——发声 贾兴藩——测温 实验过程: 1 测量一段开阔地长; 2 测量人在两端准备; 3 计时员挥手致意,发声人准备发声; 4 发生人向上举手,同时发声,计时员计时(看到举手始,听到声音止) 5 多测几次,记录数据。 实验结果: 时间17∶30 温度21℃

发声时间 0.26″ 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。 声速的测量实验报告2 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 v88 (式中8088cp cV (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�8�710-3kg/mol b.在标准状态下 (T0�8�8273.15 K,p�8�8101.3�8�8kPa),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 v88v0 (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8�0 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�8�4 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�8�810.286�8�2 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

大物实验报告声速测定(DOC)

声速测定 引言:本实验使用了超声声速测定仪、低频信号发生器(DF1027B)、示波器 (ST16B)设计了共振干涉法、相位比较法、时差法来进行超声速的测定,并对实验数据进行处理、分析,最终得出声速,并与理论值进行比较。 关键词:声速测定。 Abstract:This experiment uses the ultrasonic velocity measurement instrument (DF1027B), low frequency signal generator, oscilloscope (ST16B) design the resonance interferometry, phase comparison method, the time difference method for supersonic were measured, and the experimental data processing and analysis, finally obtains the speed of sound, and compared with the theoretical value. 一、实验目的 1、了解超声波换能器的工作原理和功能; 2、学习不同方法测定声速的原理和技术; 3、熟悉测定仪和示波器的调节和使用; 4、测定声速在空气中的传播速度。 二、仪器设备 ZKY_SS超声声速测定仪、低频信号发生器、示波器。 三、实验原理 由波动理论得知,声波的传播速度v与声波频率和波长之间的关系为。所以只要测出声波的频率和波长,就可以求出声速。其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出,波长则可用共振法和相位比较法进行测量。时差法可通过测量某一定间隔距离声音传播的时间来测量声波的传播速度。 压电陶瓷换能器 本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换。它主要由压电陶瓷环片、轻金属铅(做成喇叭形状,增加辐射面积)和重金属(如铁)组成。压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。在压电陶瓷片的两个底面加上正弦交变电压,它就会按正弦规律发生纵向伸缩,从而发出超声波。同样压电陶瓷可以在声压的作用下把声波信号转化为电信号。压电陶瓷换能器在声—电转化过程中信号频率保持不变。 如图1所示,S1作为声波发射器,它把电信号转化为声波信号向空间发射。S2是信号接收器,它把接收到的声波信号转化为电信号供观察。其中S1是固定的,而S2可以左右移动。

《声速测量》实验报告

《声速测量》实验预习报告 一、 实验原理 1. 理论计算 理想气体中声波的传播速度为 M RT v γ= 其中,γ为比热容比,M是气体的摩尔质量,T是绝对温度,R=8.31441J/(mol ·K) 在室温t 下,干燥空气中的声速为 01T t v v + = 其中,s m v /5.3310=,K T 15.2730=。 但实际中空气并不是干燥的,所以修正的结果为 ??? ? ? ?+???? ? ?+=p rp T t v s 31.0115.3310 其中,r 为相对湿度,p s 为饱和蒸汽压,Pa p 510013.1?=。 2. 实验方法 由于λf v =,故只要测出频率和波长,就可以求出声速。 其中,声波频率由声源振动频率得到,再用相位法测得波长即可。波可以看成是相位的传播。沿传播方向上的任意两点,只要他们的振动状态相同,即同相或者相位差为2π的整数倍,

这时两点间的距离应等于波长λ的整数倍,即λn l=。 当在发射器的声波中沿传播方向移动接受器时,总可以找到一 个位置,使得接受器接受到的电信号和发射器的激励电信号同 相。继续移动接受器,知道接受的信号再一次和激励电信号同 相的时候,移过的距离必然等于声波的波长。利用利萨如图形 在两个电信号同相或反相时椭圆退化为友斜或左斜直线即可 判断。 二、实验步骤 1.连接电路。函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端及示波器的通道1相连;超声波接受器的输出端和示波器的 通道2相连。函数信号发生器置于正弦波输出,频率置于100kHz 档,输出幅度调到峰值10V左右。 2.用示波器观察加在声波发射器上的电信号和超声波接受器输出的电信号。先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右,然后细调频率,使接受器输出信号最大,记下此频率,即超声 波频率。实验过程中若有改变,记下最大最小值,最后取平均 值。 3.用相位法测波长。利用利萨如图找出同相点,每遇到一个同相点就测一次接受器的位置x,连续测20个,并用逐差法处 理。得到波长的平均值。计算声速。 4.在测量开始和结束时,先后记录室温t1和t2,以及相对湿

声速测量实验报告

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整理。 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: 1. 声波在空气中的传播速度: 在标况下,干燥空气中的声速为v=331.5m/s,T=273.15K。室温t℃时,干燥空气的声速为v=v。(1+t/T。)^(1/2) 2. 测量声速的实验方法:v=fλ式中,v声速,f声源震动频率,波长。 I.相位法 波是震动状态的传播,即相位的传播。若超声波发生器发出的声波是平面波,当接受器端面垂直于波的传播方向时,其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时,总可以找到一个位置使得接受到的信号与发射器的激励电信号同相。继续移动接受器,直到找到的信号再一次与发射器的激励电信号同相时,移过的这段距离就等于声波的波长。 需要说明的是,在实际操作中,用示波器测定电信号时,由于换能器振动的传递或放大电路的相移,接受器端面处的声波与声源并不同相,总是有一定的相位差。为了判断相位差并测量波

长,可以利用双踪示波器直接比较发射器的信号和接收器的信号,进而沿声波传播方向移动接收器寻找同相点来测量波长;也可以利用李萨如图形寻找同相或反相时椭圆退化成直线的点。 II.驻波法 按照波动理论,超声波发生器发出的平面声波经介质到接收器,若接收面与发射面平行,声波在接收面处就会被垂直反射,于是平面声波在两端面间来回反射并叠加。当接收端面与当接受端面与发射头间的距离恰好等于半波长的整数倍时,叠加后的波就形成驻波。此时相邻两波节(或波腹)间的距离等于半个波长(即)。当发生器的激励频率等于驻波系统的固有频率(本实验中压电陶瓷的固有频率)时,会产生驻波共振,波腹处的振幅达到最大值。 声波是一种纵波。由纵波的性质可以证明,驻波波节处的声压最大。当发生共振时,接收端面处为一波节,接收到的声压最大,转换成的电信号也最强。移动接收器到某个共振位置时,示波器上又会出现了最强的信号,继续移动接收器到某个共振位置,再次出现最强的信号,则两次共振位置之间距离为λ/2。四、实验仪器: 声速测试仪、信号发生器、示波器。 五、实验内容及步骤: 用驻波法测声速 (1)按图连接电路,将信号发生器的输出端与声速仪的输出

声速测定实验报告

【实验目的】 1.了解压电换能器的功能,加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。 2.学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。 3.通过用时差法对多种介质的测量,了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。 【实验原理】 在波动过程中波速V 、波长λ和频率f 之间存在着下列关系:λ?=f V ,实验中可通过测定声波的波长λ和频率f 来求得声速V 。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系:t V L ?= ,只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V ,这就是时差法测量声速的原理。 1.共振干涉法(驻波法)测量声速的原理: 当二束幅度相同,方向相反的声波相交时,产生干涉现象,出现驻波。对于波束1:)/X 2t cos(A F 1λ?π-ω?=、波束2:()λ?π+ω?=/X 2t cos A F 2,当它们相交会 时,叠加后的波形成波束3:()t cos /X 2cos A 2F 3ω?λ?π?=,这里ω为声波的角频率,t 为经过的时间,X 为经过的距离。由此可见,叠加后的声波幅度,随距离按 ()λ?π/X 2cos 变化。如图28.1所示。 压电陶瓷换能器1S 作为声波发射器,它由信号 源供给频率为数千周的交流电信号,由逆压电效应发出一平面超声波;而换能器2S 则作为声波的接收器,正压电效应将接收到的声压转换成电信号,该信号输入示波器,我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。声源1S 发出的声波,经介质传播到2S ,在接收声波信号的同时反射部分声波信号,如果接收面(2S )与发射面(1S )严格平行,入射波即在接收面上垂直反射,入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器2S 处的振动情况。移动2S 位置(即改变1S 与2S 之间的距离),你从示波器显示上会发现当2S 在某些位置时振幅有最小值或最大值。根据波的干涉理论可以知道:任何二相邻的振幅最

声速测量实验报告

声速测量实验报告 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

《声速测量》实验预习报告 一、 实验原理 1. 理论计算 理想气体中声波的传播速度为 M RT v γ= 其中,γ为比热容比,M是气体的摩尔质量,T是绝对温度,R=(mol ·K) 在室温t 下,干燥空气中的声速为 01T t v v + = 其中,s m v /5.3310=,K T 15.2730=。 但实际中空气并不是干燥的,所以修正的结果为 ??? ? ? ?+???? ? ?+=p rp T t v s 31.0115.3310 其中,r 为相对湿度,p s 为饱和蒸汽压,Pa p 510013.1?=。 2. 实验方法 由于λf v =,故只要测出频率和波长,就可以求出声速。 其中,声波频率由声源振动频率得到,再用相位法测得波长即可。波可以看成是相位的传播。沿传播方向上的任意两点,只要

他们的振动状态相同,即同相或者相位差为2π的整数倍,这时 两点间的距离应等于波长λ的整数倍,即λ n l=。 当在发射器的声波中沿传播方向移动接受器时,总可以找到一个 位置,使得接受器接受到的电信号和发射器的激励电信号同相。 继续移动接受器,知道接受的信号再一次和激励电信号同相的时 候,移过的距离必然等于声波的波长。利用利萨如图形在两个电 信号同相或反相时椭圆退化为友斜或左斜直线即可判断。 二、实验步骤 1.连接电路。函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端及示波器的通道1相连;超声波接受器的输出端和示波器的通道2相连。函数信号发生器置于正弦波输出,频率置于100kHz档,输 出幅度调到峰值10V左右。 2.用示波器观察加在声波发射器上的电信号和超声波接受器输出的电信号。先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右,然 后细调频率,使接受器输出信号最大,记下此频率,即超声波频 率。实验过程中若有改变,记下最大最小值,最后取平均值。 3.用相位法测波长。利用利萨如图找出同相点,每遇到一个同相点就测一次接受器的位置x,连续测20个,并用逐差法处理。 得到波长的平均值。计算声速。 4.在测量开始和结束时,先后记录室温t1和t2,以及相对湿度 r 1和r 2 ,并查出平均室温对应的饱和蒸汽压。若温度不是整数值,

实验报告--声速的测量

物理实验报告 姓名:专业:班级:学号: 实验日期:实验教室:指导教师: 一、【实验名称】超声波声速的测量 二、【实验目的】1、了解声速的测量原理 2、学习示波器的原理与使用 3、学习用逐差法处理数据 三、【仪器用具】1、SV-DH-3型声速测定仪段(资产编号) 2、双踪示波器(资产编号) 3、SVX-3型声速测定信号源(资产编号) 四、【仪器用具】 1.超声波与压电陶瓷换能器 频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波,高于20kHz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,易于定向发射等优点,声速实验所采用的声波频率一般都在20~60kHz之间。在此频率范围内,采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。 图1 纵向换能器的结构简图 压电陶瓷换能器根据它的工作方式,分为纵向(振动)换能器、径向(振动)换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图1为纵向换能器的

结构简图。 2.共振干涉法(驻波法)测量声速 假设在无限声场中,仅有一个点声源S1(发射换能器)和一个接收平面(接收换能器S2)。当点声源发出声波后,在此声场中只有一个反射面(即接收换能器平面),并且只产生一次反射。 在上述假设条件下,发射波ξ1=Acos (ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射,反射波ξ 2=A 1cos (ωt+2πx /λ),信号相位与ξ1相反,幅度A 1<A 。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加, 合成波束ξ 3 ξ3=ξ1+ξ2=(A 1+A 2)cos (ωt-2πx /λ)+A 1cos (ωt+2πx /λ) =A 1cos(2πx /λ)cos ωt+A 2cos (ωt - 2πx /λ) 由此可见,合成后的波束ξ3在幅度上,具有随cos(2πx /λ)呈周期变化的特性,在 相位上,具有随(2πx /λ)呈周期变化的特性。 图4所示波形显示了叠加后的声波幅度,随距离按cos(2πx /λ)变化的特征。 图2 换能器间距与合成幅度 实验装置按图7所示,图中S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器,它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号,由逆压电效应发出一平面超声波;而S2则作为声波的接收器,压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器,我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波,接收的声波、发射的声波振幅虽有差异,但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播,二者在S1和S2区域内产生了波的干涉,形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。移动S2位置(即改变S1和S2之间的距离),你从示波器显示上会发现,当S2在某此位置时振幅有最小值。根据波的干涉理论可以知道:任何二相邻的振幅最大值的位置之间(或二相邻的振幅最小值的位置之间)的距离均为λ/ 2 。发射换能器与接收换能器之间的距离

实验报告_声速的测量

实验名称:_______声速的测量___________ (总分:100) 实验者:_王雨轩____, 学号:____201900140139___________, 实验日期:____2020年7月5日______ 校区:____青岛校区_______, 学院、专业:__生物科学________ 一、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。 二、实验仪器 示波器、信号发生器和声速仪。 三、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:v f λ =? (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/ =(2)表示,若测得 v L t 声波传播所经过的距离L和传播时间t,也可获得声速。 1.驻波法(共振干涉法) 实验装置如图1所示,图中和为压电晶体换能器,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;为超声波接收器,声波传至它的接收面上时,再 被反射。当和的表面近似平行时,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 (3) 时,发出的声波与其反射声波的相位在处差(n=1,2 ……),因此形成共振。 因为接收器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)。

实验报告-声速测量

实验报告:声速的测量

实验报告声速的测量 【实验项目】 1.用共振干涉法测量空气中的声速 2.用相位比较法测量空气中的声速 3.时差法测量介质中的声速; 4.用反射法测量挡板的距离 【实验仪器】 声速测量仪、FD-SV-D超声波测距综合试验仪、示波器 【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v与其频率和波长的关系为: λ= (1) vf 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 =(2) v L t / 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=nλ/2 n=0,1,2, (3) 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。

声速的测量实验报告

声速的测量实验报告 声速的测量实验报告一、实验名称:声速的测量二、实验目的 1.了解声速的测量原理; 2.掌握示波器和信号发生器的使用方法。 3.掌握逐差法处理数据三、实验仪器示波器,信号发生器、声速测量仪四、实验原理在弹性介质中,频率从20Hz到20kHz的振动所激起的机械波称为声波,高于20kHz,称为超声波,超声波的频率范围在之间。超声波的传播速度,就是声波的传播速度。超声波具有波长短,易于定向发射等优点,在超声波段进行声速测量比较方便。 由波动理论可知,波速与波长、频率有如下关系:,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。 图1:超声波测声速实验装置图图2:压电陶瓷换能器结构示意图压电陶瓷换能器(变压器)是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动,通过逆压电效应使其产生振动,振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分,输出部分再通过正压电效应产生电荷,实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换,在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压

器相比,这具有体积小,质量轻,功率密度高,效率高,耐击穿,耐高温,不怕燃烧,无电磁干扰和电磁噪声,且结构简单、便于制作、易批量生产,在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。 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:,求解可得各点振幅最大,称为波腹,对应的位置:各点振幅最小,称为波节,对应的位置:因此只要测得相邻两波腹(或波节)的位置、即可得波长。 2.相位比较法测波长从换能器发出的超声波到达接收器,所以在同一时刻与处的波有一相位差:其中l是波长,x为和之间距离)。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。图3:不同相位差对应的李萨如图型示例五、实验内容 1.调整仪器使系统处于最佳工作状态,换能器共振频率约为35KHz。 2.用驻波法(共振干涉法)测波长和声速。 3.用相位比较法测波长和声速。 注意事项 1.确保换能器和端面的平行。 2.信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率保持一致。 六、数据处理学生姓名:姚佳俊学号:202031010818 指导老师:张怀作实验时间:2020年 5 月 2 日专业年级:石油工程2020级 1、选择合适的超声波频率信号发生器输出信号的频率(Hz) 36500.0 2、

实验报告--声速的测量

成都信息工程学院 物理实验报告 姓名: 石朝阳专业: 班级: 学号: 实验日期: 2007-9-5下午一段实验教室: 5107 指导教师: 一、【实验名称】超声波声速的测量 二、【实验目的】 1、了解声速的测量原理 2、学习示波器的原理与使用 3、学习用逐差法处理数据 三、【仪器用具】1、SV-DH-3型声速测定仪段 (资产编号) 2、双踪示波器 (资产编号) 3、SVX-3型声速测定信号源(资产编号) 四、【仪器用具】 1.超声波与压电陶瓷换能器 频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波,高于20kHz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,易于定向发射等优点,声速实验所采用的声波频率一般都在20,60kHz之间。在此频率范围内,采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。 后盖反 压电陶瓷片头正负电图1 纵向换能器的结构简图 压电陶瓷换能器根据它的工作方式,分为纵向(振动)换能器、径向(振动)换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图1为纵向换能器的结构简图。 2.共振干涉法(驻波法)测量声速

假设在无限声场中,仅有一个点声源S1(发射换能器)和一个接收平面(接收换能器S2)。当点声源发出声波后,在此声场中只有一个反射面(即接收换能器平面),并且只产生一次反射。 在上述假设条件下,发射波ξ1=Acos(ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射,反射波ξ2=A1cos(ωt+2πx /λ),信号相位与ξ1相反,幅度A1,A。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加, 3 合成波束ξ ξ3=ξ1+ξ2=(A1+A2)cos(ωt-2πx /λ)+A1cos(ωt+2πx /λ) =A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos(ωt - 2πx /λ) 由此可见,合成后的波束ξ3在幅度上,具有随cos(2πx /λ)呈周期变化的特性,在相位上,具有随(2πx /λ)呈周期变化的特性。 图4所示波形显示了叠加后的声波幅度,随距离按cos(2πx /λ)变化的特征。 发射换能器与接收换能器之间的距离包络波 图2 换能器间距与合成幅度 实验装置按图7所示,图中S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器,它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号,由逆压电效应发出一平面超声波;而S2则作为声波的接收器,压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器,我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波,接收的声波、发射的声波振幅虽有差异,但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播,二者在S1和S2区域内产生了波的干涉,形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。移动S2位置(即改变S1和S2之间的距离), 你从示

声速的测定实验报告

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: Λ Λ3,2,1,2 ==n n L 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: () 22 2 11λ λ λ = ? -+=-=?+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

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