大学物理实验超声声速测定Word文档下载推荐.docx
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（4）仪器调整使用方法：
双踪示波器和函数信号发生器的正确调节和使用方法。
【实验目的】
1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。
2.了解压电换能器的功能。
3.学习用逐差法处理数据。
【实验仪器】
SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等
【实验原理】
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，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～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。
根据声波各参量之间的关系可知
其中
为波速,λ为波长,
为频率。
图4-5-1共振法测量声速实验装置
在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率
求声速。
声波的频率
可以直接从低频信号发生器（信号源）上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法（行波法）和共振干涉法（驻波法）来测量。
图4-5-2
相位比较法测量声速实验装置
1.相位比较法
实验装置接线如图4-5-2所示，置示波器功能于X－Y方式。
当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动方程为：
在发射波和接收波之间产生相位差：
见图3，随着振动的相位差从0～
的变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。
因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线，测得了波
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
图4-5-3合成振动
长
和频率
，根据式
即可计算出声音传播的速度。
改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L不断变化。
显然，当S1、S2之间距离改变半个波长
，则
＝
。
2.共振干涉（驻波）法测声速
由声源S1发出的声波（频率为
），经介质（空气）传播到S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。
如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。
反射面处是位移的波节，声压的波腹。
改变接收器与发射源之间的距离L，在一系列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波共振现象。
此时L等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；
同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。
通过压电转换，产生的电信号的电压值也最大（示波器显示波形的幅值最大）。
因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离ΔL，即可得到该波的波长λ（λ=2Δx），并用
计算出声速。
3.压电陶瓷换能器
压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。
图4-5-4纵向换能器的结构
压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下
经极化处理制成的。
它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力
时，在极化方向上产生一定的电场强度
且具有线性关系：
即力→电，称为正压电效应；
当与极化方
向一致的外加电压
加在压电材料上时，材料的伸缩形变
与
之间有简单的线性关系：
，即电→力，称为逆压电效应。
其中
为比例系数，
为压电常数，与材料的性质有关。
由于
，
之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源。
即压电换能器可以把电能转
换为声能作为超声波发生器，反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶瓷片作
为声频信号接收器。
因此，压电换能器可以把电能转换为声能作为声波发生器，也可把声能转换为电能作为声波接收器之用。
压电陶瓷换能器根据它的工作方式，可分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯
曲振动换能器。
图4-5-4所示为纵向换能器的结构简图。
【实验内容及步骤】
1.声速测试仪系统的连接与调试
接通电源，信号源自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态，预热15min。
声速测试仪和声速测试仪信号源及双踪示波器之间的连接如图4-5-2所示。
1）测试架上的换能器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出相应频率的功率信号，接至测试架左边的发射换能器（S1）；
仪器面板上的接收端的换能器接口（S2），请连接测试架右边的接收换能器（S2）。
2）示波器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端的发射波形（Y1），接至双踪示波器的CH1（X），用于观察发射波形；
信号源面板上的接收端的接收波形（Y2），接至双踪示波器的CH2（Y），用于观察接收波形。
2.共振频率的调试测量
方式；
3）移动S2，依次记下示波器上波形由图3中（a）变为图4-5-3中（e）时，读数标尺位置的读数L1、L2…共10个值；
4）记下室温t；
5）用逐差法处理数据。
4.干涉法（驻波法）测量波长
1）按图4-5-1所示连接好电路；
2）将测试方法设置到连续波方式，把声速测试仪信号源调到共振工作频率（根据共振特点观察波幅变化进行调节）。
3）在共振频率下，将S2移近S1处，依次记下各振幅最大时的读数标尺位置L1、L2…共10个值；
4）记下室温t；
5）用逐差法处理数据。
【数据记录及处理】
1.驻波法
t=0Cv0=331.45m/s
=Hz
波幅最大位置
i（mm）
1
2
3
4
5
i+5（mm）
6
7
8
9
10
（mm）
2.相位法
t=0C
331.45m/s
相位变化为
位置
【预习要求】
1、理解驻波法和相位比较法测量声速的基本原理。
2、了解形成驻波和李萨如图形的基本理论。
3、了解函数信号发生器和示波器的调整和使用方法。
4、理解测量波长的驻波法和相位比较法。
5、熟悉实验的具体内容。
6、列出测量数据记录表。
【注意事项】
1、必须仔细阅读教材中各仪器说明书，熟悉各个旋钮的功能，方可进行调节。
2、信号发射器的信号输出幅度不要过大，避免仪器过热而损坏。
3、调节仪器旋钮要轻缓，以免损坏。
4、实验时要使函数信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率，并且在实验过程中保持不变。
5、使用游标尺测量移动距离时，必须轻而缓慢地调节，手勿压游标尺。
6、换能器发射面和接受面要保持相互平行。
【思考题】
1、驻波法测量声速的原理和方法是什么？
2、相位比较法测量声速的原理和方法是什么？
3、实验中信号发生器和示波器各起什么作用？
4、实验中通过什么来发射和接收声波？
5、实验中为什么要在压电换能器谐振状态下测量空气中的声速？
6、实验时怎样找到超声换能器的谐振频率？
7、实验中为什么要使换能器发射面和接受面要保持相互平行？
8、实验中怎样才能知道接收换能器接收面的声压为极大值？
9、实验中为什么要记录室温？
10、本实验采用逐差法处理数据有什么好处？
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