1、声速检测一、实验项目名称：波速检测二、实验目的1.学会检测超声波在空气中的传播速率的方式2.理解串扰和震动合成理论3.学会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三、实验原理声波的传播速率与声波频度和波长的关系为：可见，只要测出声波的频度和波长，即可求出波速。可由声源的震动频度得到，为此，实验的关键就是怎样测定声波波长。按照超声波的特性，实验中可以采用几种不同的方式测出超声波的波长：1.串扰法（共振干涉法）如下图所示，实验时将讯号发生器输出的余弦电流讯号接到发射超声换能器上，超声发射换能器通过电声转换，将电流讯号变为超声波，以超声波方式发射出去。接收换能器通过
2、声电转换，将声波讯号变为电流讯号后，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度的平面声波，经过空气传播，抵达接收换能器。假如接收面和发射面严格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波互相干涉产生串扰。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。在声串扰中，波腹处信噪比（空气中因为声扰动而导致的超出静态大气浮力的那部份浮力）最小，而波节处响度最大。当接收换能器的反射界面处为波节时，响度效应最大，经接收器转换成联通号后从示波器上观察到的电流讯号幅值也是极大值，所以可从接收换能器锥面响度的变化来判定超声波串扰是否产生。联通千分尺游标，改变两只换能器锥面的距离，在一系列
3、特定的距离上，媒质上将出现稳定的串扰共振现象，此时，两换能器间的距离等于半波长的整数倍，只要我们检测接收换能器输出电流幅度的变化，记录下相邻两次出现最大电流数值时（即接收器坐落波节处）千分尺的读数（两读数之差的绝对值等于半波长），则按照公式：就可算出超声波在空气中的传播速率，其中超声波的频度可由讯号发生器直接读得。2.相位比较法实验接线如右图所示。波是震动状态的传播，也可以说是位相的传播。在声波传播方向上，所有质点的震动位相逐一落后，各点的震动位相又随时间变化。声波波源和接收点存在着位相差，而那位相差则可以通过比较接收换能器输出的联通号与发射换能器输入的余弦交变电流信号的位相关系中得出，并可借助
4、示波器的李萨如图形来观察。位相差和角频度、传播时间t之间有如下关系：同时有，（式中T为周期）代入上式得：当（n=1，2，3，.）时，可得。由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的位相差也刚好变化一个周期（即=2）。实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。当相位差改变时，相应距离的改变量即为半个波长。按照波长和频度即可求出声速。四、实验仪器波速检测仪、示波器、信号源五、实验内容及步骤1、测量波速测定仪的共振频度：不断改变讯号源所形成的频度，观察波形2峰值的变化。通过旋转鼓轮观察波形2的峰值，当旋转鼓轮前进或倒退，2波形的最大峰值均减少，
5、则此时为共振频度。2、用串扰法（共振法）测波速：示波器采用YT模式，记录节点的位置，节点处振幅为零即响度最大，对应的振幅最大，通过旋转鼓轮观察波形2的峰值，当旋转鼓轮前进或倒退，2波形的最大峰值均减少，则此目标为节点位置物理实验声速的测定，记录此时的刻度物理实验声速的测定，记为第一个节点，用同样的方式找寻下一个节点，直至第10个。3、用相位比较法（李萨如图形法）测波速：示波器转换成XY模式，通过旋转鼓轮找直线图形，记录此时的刻度，依次记录10个相同形状的直线的位置。六、数据记录及处理（一定要有数据估算的具体步骤，要进行不确定度的估算）1、驻波法f37.用串扰法测得V=347.3035（m·s-1）不确
6、定度抒发结果V=（347.3035±0.0093）m·s-1相对偏差为1.13672、相位法f37.用串扰法测得V=347.2003（m·s-1）不确定度抒发结果V=（347.2003±0.0109）m·s-1相对偏差为1.1067七、实验结果剖析与小结偏差剖析通过估算发觉，两种方式波速检测值都比理论值偏大。我觉得有以下几个诱因：1、测量偏差，读数时不够精确，观察波形峰值时存在偏差。2、旋转鼓轮车速渡过快，且有部份数据存在斜度差。3、仪器本身存在的偏差。4、观察李萨如图像时图象较小，观察重合时造成偏差很大。5、空气
7、中富含水蒸气及其它杂质，声音在这种物质中的传播速率都要比在空气中的传播速率大。实验看法通过此次实验，我学习了波速检测的相关原理。其实，在其中也遇见了好多问题。诸如在操作过程中示波器在的2波形超过了屏幕，通过调节位置和格数按键使其全部显示在屏幕上。在读数时也想起了螺旋测微计读数技巧，他比游标千分尺更精确。了解了压电换能器的工作原理，换能器要在谐振频度条件下进行波速测定，由于在谐振频度下，反射面之间的信噪比达极大值。这样从示波器上观察到的电流讯号幅值为最大，因而更利于观察。在实验过程中必须有耐心，例如用串扰法确定节点位置时必须渐渐来，不能调节太快。要清除斜度差就要注意单方向旋转。对于串扰法和相位比较法也有了一个大约的了解和比较。波速检测中的串扰法是观测声波与其反射波所产生的串扰。因为，改变半个波长的传播路程,串扰的升幅会变化一个周期。相位法是比较接收波与发射波的相位差，在示波器上产生李萨如图。但我觉得两种方式都是用同样仪器完成，所以从本质上来说没有区别。对于科学原理和现象，我们也应当从不同的角度去验证他的正确性。实验过后，我又有了一点思索。共振频度其实是固定的，并且作为我们检测的确切性来说，我认为也应当多次检测。这些检测声波速率的方式，对于一切以波的方式传播来说，是不是都可以检测他的速率呢。这些实验模式对我们独立思索做事的能力会有很大提高。八、附上原始数据