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[!--downpath--]实验报告：波速检测【实验目的】。 了解波速与介质参数之间的关系。 【实验原理】超声波具有波长短、易定向发射、易反射等优点。 超声波波段传导波速检测的优点是超声波的波长短，可以在短距离内更准确地测量波速。 超声波的发射和接收通常是通过电磁振动和机械振动的相互转换来实现的。 常见的方式是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现。 本实验使用由压电陶瓷制成的换能器（探头）。 这些压电陶瓷可以在机械振动和交流电之间单向转换能量。 声波的传播速率与其频率、波长的关系为： (1) 由式(1)可知，通过测量声波的频率和波长，即可得到波速。 类似地，传播速率也可以用vL/t(2)来表示。 如果测量声波传播的距离L和传播时间t，也可以获得波速。 谐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信号激励后，受到逆压电效应的影响。 它被迫振动并向空气中的一个方向发射近似平面的声波； S2是超声波接收器，当声波到达其接收面时，再次被反射。 当S面近似平行时，声波在两个平面之间来回反射。 当两个平面的宽度L为半波长的整数倍时，即S1发出的声波与S1处反射的声波之间的相位差为2nπ（n=1、2），从而得到由于受话器S2的表面振动位移可以忽略不计，因此它是位移的节点和响度的波腹。
这个实验测试的是信噪比，因此当发生谐振时，接收器的输出会明显降低。 在示波器上观察到的联通信号的幅度也是最大值（见图2）。 图中每个最大值之间的距离为λ/2。 由于散射和其他损耗，每一级的近似幅度随着距离的减小而逐渐减小。 只要测量出每个最大值对应的接收器S2的位置，就可以测量出波长。 读取信号源发出的超声波的频率值后，可通过式（1）得到波速。 比较法波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。 当波传播方向上任意两点同相时，两点之间的距离为波长的整数倍。 借助这一原理，可以准确地检测波长。 实验装置如图1所示，接收器S2沿波的传播方向连接。 当接收到的信号再次与发射器同相时，两国之间的距离就等于声波的波长。 同样南昌大学物理实验声速的测量，相位差也可以借助利萨如图来确定。 实验中输入示波器的信号来自同一信号源，且频率严格相同。 因此，李萨如图形是椭圆。 椭圆的倾斜度与两个信号的相位差有关。 当两个信号之间的相位差为0或π时，椭圆就变成一条倾斜的直线。 时差法时差法检测波速的实验装置仍采用上述仪器。 信号源提供脉冲信号λ。 如果无法测量 20 个最大值，则可以少测量几个（必须是质数）并以类似的方式进行估计。 【实验数据记录、实验结果估算】 实验时温度为16℃，空气中波速理论值为273.15）=341.019π/π1。 共振干扰法频率f=35.617采用逐差法进行数据处理。 处理过程由C++程序完成。 程序如下：通过S1发送一个脉冲波。 脉冲信号传播一定距离后被S2接收南昌大学物理实验声速的测量，然后信号返回信号源。 对信号源内部电路进行分析比较后，可以从游标千分尺上读出输出脉冲信号在S之间的传播时间t和传播距离L。 波速可以利用公式(2)来估计。
逐差法数据处理本实验中，如果用游标千分尺测量2n个最大值的位置，依次计算出每个n 10L（mm）的数量为50.0052.5854.4157.4659.6362.4064.4667.3770.6072。 16: (毫米)74.0177.0079.0181.8483.8086.9288.7891.6693.3196.49##;=10;=35.617;[2*n]={50.00,52.58,54.41,57.46,59.63,62.40,64.46,6 7.37、70.60、 72.16, 74.01, 77.00,79.01,81.84,83.80,86.92,88.78,91.66,93.31,96.49};=0;()for(inti=0;in;i++)LMD+=(L[n+i]-L[ i])* 2/n/n;("v=%.3lfn",LMD*f*2);("pause");相位比较法频率f=35.618采用逐差法数据处理，处理过程由C++程序完成。 程序编号如下：10L(mm)54.8264.4174.0283.7493.40103.06112.90122.36131.86141.09##;=35.618;[2*n]={54.82,64.41,74.02,83.74,93.40,103.0 6,112.90,122.36, 131.86,141.09};=0;()for(inti=0;in;i++)LMD+=(L[n+i]-L[i])/n/n;("v=%.3lfn " ,LMD*f);(“暂停”);利用时差法检测空气中波速的电脑图如下：No./mm56.8055.8666.8171.8576.8281.8386.8191.86 因为第二组数据有偏差较大，则剔除。
计算机估计v=344.41。 利用时间差法检测液体中波速的计算机图如下：No./mm105.24110.02115.00120.05125.04130.06135.01140.05 计算机估计v=1449.43 [分析与讨论] 1 关于偏差，虽然做这个实验需要非常精确的操作。 为了获得更加准确的结果，除了需要大家时刻专心观察和操作仪器外，还需要两个人的默契配合。 其实还是有一些基本的事情需要注意的。 例如，操作距离旋钮时，最好不要旋转太快，接近读数点时减慢速度，最好不要向相反方向旋转旋钮； 最好将示波器的图像调整到合适的大小和位置，以便于观察和减少偏差。 观察李沙如图像时，应选择水平线段或垂直线段之一作为标准，否则很难判断所连接的线段是波长还是半波长。 此时应尽可能放大图像，因为小图像在观测重叠时会造成较大偏差。 事实上，最终的测量结果仍然存在一定的误差，但偏差已经很小了。 观察空气中测量的波速，我们发现几种检测方法的检测结果都偏高。 一个重要原因是空气中富含水蒸气和其他杂质。 声音在这种材料中的传播速度高于在空气中的传播速度。 传播速率很大，所以最终的检测结果太大。 使用相位法测量的结果最接近真实值。 由于以这种方式观察图像，因此当图像变为重叠时读取读数。 比较容易判断图像是否与直线重合，因此偏差会较小。
【思考问题】 1、换能器为什么需要在谐振频率条件下测量波速？ 答：因为在谐振频率处，反射面之间的信噪比达到最大值。 这样，在示波器上观察到的电压信号的幅度是最大的，更容易观察。 2. 声波在两个换能器之间产生共振必须满足什么条件？ 答：1、两个换能器的发射面和接收面相互平行。 2. 两个换能器之间的距离为半波长的整数倍。 3. 列出超声波应用的三个例子。 它们都利用了超声波的这些特性吗？ 答：比如超声波定位系统、超声波检测、超声波洁牙等。 它们利用了超声波波长短、易于定向发射且易于反射的优点。 4、时差法检测中，为什么共振或接收增益会影响波速计接收点的确定？ 答：因为当谐振或接收增益太大时，接收器会提前接收到信号，因此测量的时间会太小，导致最终估计的波速太大。 【个人观点】1.我认为这种测量波速的实验方法可以有更广泛的好处。 对于前两种方法，可以测量一些以波形式传播的材料的速度。 如果仪器可以非常精确，就可以测量光速。 对于第三种方法，可以用来检测光速。 在发射器和接收器处安装平面镜，可以记录光来回传播的时间。 发射器和接收器可以记录光的往返次数，然后利用时间差计算光速。