利用模拟示波器测声速北航物理研究性实验报告讲解.docx

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利用模拟示波器测声速北航物理研究性实验报告讲解

北航物理研究性实验报告

利用模拟示波器测量声速

作者：

学号：

摘要１

1.模拟示波器简介１

1）模拟示波器结构１

2）工作原理２

3）李萨如图形３

4）模拟示波器的特点４

2.声速的测量４

1）测量原理４

2）振幅法６

3）相位法７

4）实验仪器８

5）实验步骤８

6）实验数据及处理９

（1）实验数据９

（2）数据处理９

（3）误差分析１１

3.实验感想１１

摘要

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，它能将人们无法看到的电信号转化成可直接观察的图像波形，从而对电信号波形进行分析。

本实验就是利用模拟示波器将从声速测量仪上接收到的电信号转化为波形，利用声波的特点，对示波器上的波形进行分析，测出声波的波长，最后计算出波速。

关键词：

模拟示波器、声速、误差。

1.模拟示波器简介

1）模拟示波器结构

模拟示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观察测量的交变电信号转换成图像并显示在荧光屏上以便测量和分析的电子仪器。

它主要由4部分组成：

阴极射线示波器，扫描、触发系统，放大系统，电源系统。

其基本组成如图1.1所示。

当电子枪被加热发出电子束后，经电场加速、聚焦和偏转系统，打在涂有荧光物质的荧光屏上就形成一个亮点。

若电子束在到达荧光屏之前受到两两相互垂直的偏转板间电场的作用，则亮点位置会发生改

变，从而显示出各种波形。

图1.1

2）工作原理

模拟示波器的基本工作原理是：

被测量信号经Y轴衰减后送至Y1放大器，经延迟级后到2Y放大器，信号放大后加到示波管的Y轴偏转板上，如图1.1所示。

若Y轴所加信号为图1.2（a）所示的正弦信号，X输入开关S切换到“外”输入，且X轴没有输入信号，则光点在荧光屏竖直方向上按正弦规律上下运动，随着Y轴方向信号频率的提高，由于视觉暂留或荧光屏余辉等原因，在荧光屏上显示出一条竖直扫描线；同理，如在X轴所加信号为图1.2（b）所示到达锯齿波信号，且Y轴没有输入信号，则光点在荧光屏水平方向上先由左向右均匀运动，到达右端后立即返回左端，再从左向右重复上述过程，每完成一个循环称为一次扫描。

随着X轴方向信号频率的提高，在荧光屏上显示出一条水平扫描线。

Z轴的作用是使用扫描波形有一定辉度（亮度），对于某些具有Z轴外输入的示波器，则可通过Z轴的输入信号，动态调节不同扫描时刻的波形的亮度，实现类似于电视图像的显示效果。

图1.2（a）图1.2（b）

3）李萨如图形

在图1.1中，X输入开关S切换到“外”输入，且X轴和Y轴同时有频率相同或者成整数比的两个正弦电压输入，此时电子束同时受到两个方向偏转电压的作用，在荧光屏上的光点将显示两个正交谐振动得合成振动图形，即李萨如图形，其形状随两个信号的频率和相位差的不同而不同。

如果Y轴信号和X轴信号的频率有简单的整数比，则合成运动有稳定的闭合轨道。

图1.3

不难理解，沿着这种闭合轨道环绕一周后在水平和竖直方向往返的次数与两个方向的频率成正比。

即李萨如图形与水平线相交的点数

及与垂直线相交的点数

之间的比值与两信号频率之比有如下关系：

若已知其中一个信号的频率，以及从李萨如图像上得到的点数

和

，就可以求出另一带测信号的频率。

4）模拟示波器的特点

模拟示波器的主要特点是：

①波形显示快速，实时显示；②波形连续真实，垂直分辨率高；③捕获率高；④有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。

模拟示波器的不足之处是：

①无储存功能；②仅有边沿触发；③无自动参数测量功能，只能进行手动测量，所以准确度不够高；④由于CRT的余辉时间很短，所以难以显示频率很低的信号；⑤难以观察非重复性信号和瞬变信号。

2.声速的测量

1）测量原理

声学测量是人们认识声学问题本质的一种实验手段，声速是声学研究中的一个重要的基本参量。

它的测定特别是精确测定不仅有重要的基础研究价值，而且在物质的物理、化学性能（例如分子结构、运动状态以及多种物理效应）的研究中也是一种重要的测量手段，在工程技术和医学领域（诸如测量厚度、料位、流量、温度、硬度以及血流等）也有广泛和重要的应用。

声速是指声波在媒质中的传播速度。

声波能够在除真空以外的所有物质中传播，其传播速度由相应媒质的材料特性特别是力学参数决定，也与传播模式（纵波、横波、表面波等）有关。

由于声波的传播模式会受到边界的影响，因此通常给出的声速都是指无限大介质中的传播速度。

在空气中声波只能以纵波的形式存在。

本实验的主要内容是利用连续波方法测定空气中的声速。

在波动过程中，波的传播速度v、f和波长

之间存在下列关系：

因此只要测出声波的频率和波长就可以算出声速。

实验装置原理如图1.4所示。

其中

和

分别用来发送和接受声波。

它们是以压电陶瓷为敏感元件做成的电声转换能器。

当把电信号加在S1的电端时，转换器端面产生机械振动（反向压电效应）并在空气中激发出声波。

当声波传递到

表面时，激发起

端面的振动，又会在其电端产生相应的电信号输出（正向压电效应）。

图1.4

信号发生器产生频率为几十kHz的交变电信号，其频率可有频率计精确测定。

换能器端面发出相同频率的声波（属于超声波频段，人耳听不见）。

为了确定声速，还要测定声波的波长。

可以用以下两种方法进行，本实验采用第一种方法。

2）振幅法

S发出的声波传播到接收器后，在激发起

振动的同时又被

的端面所反射。

保持接收端面和发送器端面互相平行，声波将在两平行平面之间往返反射。

因为声波在换能器中的传播速度和换能器的密度都比空气要大得多，可以认为这是一个以两端刚性平面为界的空气柱的振动问题。

当发送换能器所激发的强迫振动满足空气柱的共振条件：

时，接收换能器在一系列特定的位置上将有最大的电压输出。

式中

是空气柱的有效长度，

是空气中的声波长，

取正整数。

考虑到激励源的末端效应，式还应附加一个校正因子Δ：

式中，

是空气柱的实际长度，即发送换能器端面到接收换能器端面

之间的距离。

在

处于不同的共振位置时，因

是常数，所以各电信号极大值之间的距离均为

。

由于波阵面的发散及其他损耗，故随着距离的增大，各极大值的振 幅逐渐减小。

当接收器沿声波传播方向由近而远移动时，接收器输出电信号的变化情况如图1.5所示。

只要测出各极大值所对应的接收器的位置，就可以测出波长。

图1.5

3）相位法

波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。

对行波而言，沿传播方向上的任意两点，它们和波源的相位差2π（或2π的整数倍时），该两点的距离就等于一个波长（或波长的整数倍）.而就本实验而言，

和

之间柱受换能器激励作受迫运动，其振动状态（相位）是距离

的周期函数，因此

每移过一个

的距离，激励源和接收器的电信号的相位差也将出现重复。

这表明可以用测量相位差的办法来测定波长。

把激励信号接示波器的X端，把输出波形接Y端，可以在屏幕上看到稳定的椭圆。

当相位差为0或π时，椭圆变成向左或向右的直线。

移动

，当示波器重现同一走向的直线时，

所移过的距离就等于声波的波长。