1、物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学一、实验目的一、实验目的学会测量超声波在空气中的传播速度的方法。学会测量超声波在空气中的传播速度的方法。 加深对驻波和振动合成等理论知识的理解。加深对驻波和振动合成等理论知识的理解。了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。力。用相位比较法和共振干涉法测量空气中的声速。用相位比较法和共振干涉法测量空气中的声速。1声速的测量声速的测量物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学二、实验仪器二、实验仪器声速测量仪、示波器、多功能信号发生器、接线等。声速测量仪、示波器、多
2、功能信号发生器、接线等。2固定超声波发射头可移动超声波接收头底座标尺 刻度 鼓轮 声速测量仪图物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学3三、实验原理三、实验原理 振动状态在弹性介质中传播形成波，波速完全由介振动状态在弹性介质中传播形成波，波速完全由介质的物理性质决定质的物理性质决定。 声波在空气中的传播，是由于空气的压强在平衡位声波在空气中的传播，是由于空气的压强在平衡位置附近的瞬时起伏在空间激发疏密区，这些疏密区向前置附近的瞬时起伏在空间激发疏密区，这些疏密区向前传播，从而形成声波。声波是纵波。传播，从而形成声波。声波是纵波。物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广
3、东海洋大学广东海洋大学4 声音在空气中的传播速度与自身频率无关，比如牛声音在空气中的传播速度与自身频率无关，比如牛的叫声与蚊子的嗡嗡声，传播速度相同。的叫声与蚊子的嗡嗡声，传播速度相同。三、实验原理三、实验原理 声音在空气中的传播速度只取决于空气本身的性质，声音在空气中的传播速度只取决于空气本身的性质，理论上理论上00000TtTvvvTT 式中式中 是标准状态下干燥空气中的声速，是标准状态下干燥空气中的声速， 为绝对温度，为绝对温度， 为测量时的室温。为测量时的室温。0331.5/vm s0273.15TKt物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学5三、实验原理三、实
4、验原理由波动力学原理，可知由波动力学原理，可知vf其中，其中， 相邻疏部（或者密部）之间距离，相邻疏部（或者密部）之间距离， 为波的频率。频率可以由测为波的频率。频率可以由测定信号振动频率获得，定信号振动频率获得，可以分别用驻波法和位相法测量。可以分别用驻波法和位相法测量。f超声波具有波长短、易于定向发射，而且可以有效避免其它各种声音的干扰，超声波具有波长短、易于定向发射，而且可以有效避免其它各种声音的干扰，测量精度高的优点，因此本实验采用测量精度高的优点，因此本实验采用物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学6压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器三、实验原理三、实验原理物理实
5、验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学7一、共振干涉法（驻波法）测量声速一、共振干涉法（驻波法）测量声速两个压电陶瓷换能器发射头（电声转换）两个压电陶瓷换能器发射头（电声转换）和接收头（声电转换），面对面平行放置，和接收头（声电转换），面对面平行放置，其端面间距为其端面间距为L。当当 时，两端面产生共振，形成驻波。时，两端面产生共振，形成驻波。此时波节处声压最大，转换后电压信号最强。此时波节处声压最大，转换后电压信号最强。示波器观察到信号振幅达到极大。示波器观察到信号振幅达到极大。/ 2Ln移动接收端，可在示波器上看到信号振幅由大移动接收端，可在示波器上看到信号振幅由大到小
6、呈周期变化。因此，测得两个相邻极大值到小呈周期变化。因此，测得两个相邻极大值接收端位置之差，即可得到声波波长。接收端位置之差，即可得到声波波长。1/ 2,2nnLLLL 三、实验原理三、实验原理物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学8二、相位法测量声速原理二、相位法测量声速原理接收端与发射端之间形成声波场。声波接收端与发射端之间形成声波场。声波场任意点（如接收端）的振动位相是随场任意点（如接收端）的振动位相是随时间变化的，但该点与发射端之间的位时间变化的，但该点与发射端之间的位相差不随时间变化，其位相差为相差不随时间变化，其位相差为2L由于两振动频率相同，可将接收端和
7、发由于两振动频率相同，可将接收端和发射端两信号分别输入示波器两个通道，射端两信号分别输入示波器两个通道，进行进行X、Y轴方向振动合成，当图形为轴方向振动合成，当图形为直线时，测出接收端位置，从而可求出直线时，测出接收端位置，从而可求出声波的波长。声波的波长。L 三、实验原理三、实验原理物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学9S1作为声波发射器，它把电信号转化为声波信号向空间发射。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，而是固定的
8、，而S2可以左右移动。可以左右移动。 四、实验内容四、实验内容物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学101、声速测试仪系统的连接与调试、声速测试仪系统的连接与调试通电后预热通电后预热15min.，信号源自动工作在连续波方式，信号源自动工作在连续波方式声速测试仪和信号源及双通道示波器之间的连接如图所示。声速测试仪和信号源及双通道示波器之间的连接如图所示。图4-3- 1 实验装置接线图四、实验内容四、实验内容物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学112、测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点、测定压电陶瓷换能器系统的最佳工作点（1）超声换能器工作状态
9、的调节）超声换能器工作状态的调节n在在100mV500mV之间调节声速测试仪信号源输出电压，之间调节声速测试仪信号源输出电压，n在在2545kHz之间调节信号频率，之间调节信号频率，n通过示波器观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（通过示波器观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（3440kHz之间）电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，之间）电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器此频率即是压电换能器S1、 S2相匹配的频率点，记录频率相匹配的频率点，记录频率 f。四、实验内容四、实验内容物理实验教学中心课件物理实验教学中心
10、课件广东海洋大学广东海洋大学12（2）改变）改变S1和和S2之间的距离之间的距离 选择示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置，选择示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置， 再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率， 共测共测10次，将数据填入表次，将数据填入表1并求平均值。并求平均值。次次数数12345678910平均平均值值频频率率四、实验内容四、实验内容物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学13 (1) 将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为 。 (2) 将示波器调到合适工作方式, 观察示波器
11、，找到接收波形的最大值。v 转动声速仪距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化,记录幅度为最大时的距离Li；再向前或者向后沿一个方向移动接收器的位置，当接收波形幅度由大变小，再由小变大，且达到最大时，记录此时的距离 Li1.v 波长 。v 接收器的位置由主尺刻度、手轮的位置决定。手轮与丝杆相连上分为100分格，每转一周，接收器平移1mm，故手每一小格为0.01mm，可估到0.001mm。 f12iiLL四、实验内容四、实验内容物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学（3）连续移动接收器的位置，观测示波器相继出现的极大值，依次在表2中记录游标尺的相应值，用逐差法处理数据。（
12、4）根据 ，求出声速。vf测量次数测量次数12345678910频率频率f（Hz）S2位置位置L（mm）四、实验内容四、实验内容物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学15（1）将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为）将信号源测试方法设置到连续波方式，设定最佳工作频率为 。（2）首先，置示波器于双踪显示功能，观察发射和接收信号波形，转动）首先，置示波器于双踪显示功能，观察发射和接收信号波形，转动距离调节鼓轮，至接收信号幅度达最大值时的位置。调节示波器距离调节鼓轮，至接收信号幅度达最大值时的位置。调节示波器CH1、CH2衰减灵敏度旋钮、信号源发射强度、接收增
13、益，令两波形幅度几乎衰减灵敏度旋钮、信号源发射强度、接收增益，令两波形幅度几乎相等，观察两波形曲线间的关系。相等，观察两波形曲线间的关系。（3）然后，置示波器于）然后，置示波器于XY功能方式，这时观察到的李萨如图形为一斜功能方式，这时观察到的李萨如图形为一斜线，否则可微调声速仪的鼓轮实施之，记录下此时的距离线，否则可微调声速仪的鼓轮实施之，记录下此时的距离Li。= 5/ /4= 2= 3/ /2= 7/ /4= 3/ /4= =0= / /2= / /4四、实验内容四、实验内容物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学16 （4）单向转动调节鼓轮，改变换能器之间的距离。当
14、移动一个波长时，）单向转动调节鼓轮，改变换能器之间的距离。当移动一个波长时，观察到波形又返回前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器观察到波形又返回前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器S2的振动波形发生了的振动波形发生了2相移，记录此时的距离相移，记录此时的距离 Li1。 即：波长即：波长 。 （5）多次测定，依次在表）多次测定，依次在表3中记录游标尺的相应值，并用逐差法处理数中记录游标尺的相应值，并用逐差法处理数据。据。 （6）根据）根据 ，求出声速。，求出声速。1iiLLvf测量次数测量次数12345678910频率频率f（Hz）S2位置位置L（mm）四、实验内容四、实验内容物
15、理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学17实验中信号发生器和示波器各起什么作用？实验中信号发生器和示波器各起什么作用？实验中为什么要在压电换能器谐振状态下测量空气的声速？实验中为什么要在压电换能器谐振状态下测量空气的声速？本实验采用逐差法处理数据有什么好处？本实验采用逐差法处理数据有什么好处？实验前为什么要调整测试系统的谐振频率？如何进行调整？实验前为什么要调整测试系统的谐振频率？如何进行调整？实验中为什么要记录室温？实验中为什么要记录室温？五、课后思考五、课后思考物理实验教学中心课件物理实验教学中心课件广东海洋大学广东海洋大学六、注意事项六、注意事项测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，以避免空程误差。测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，以避免空程误差。电源接通时，两超声换能器不得接触。电源接通时，两超声换能器不得接触。计算空气中声速的百分偏差时，空气中的声速理论值由温度计算空气中声速的百分偏差时，空气中的声速理论值由温度压强等计算。压强等计算。
