1、声 速 的 测 定,实 验 9,大 学 物 理 实 验,实 验 目 的,了解驻波、行波、混合波的性质和区别。了解超声波的发射和接收。了解压电效应在非电量的电测法的应用。熟悉示波器的使用方法。用直射式时差法、驻波共振法（李萨如图形法）、相位比较法测量空气中的声速。,大 学 物 理 实 验,实 验 原 理,基本原理声波的定义：声波是在弹性媒质中传播的机械波。声波的分类：可闻声波(频率在20Hz20kHz范围） 次声波(频率低于20Hz) 超声波(频率高于20kHz) 声波在介质中传播时，声速v、频率f和波长之间的关系： (9-1) 若固定频率f=f0(共振频率），则通过波长的测量可求得声速。本实验
2、是采用压电陶瓷圆环做成的复合换能器来发射和接收超声波，实现声波和交流电压之间的转换。常用测量声速的方法有驻波共振法和相位比较法、直射式时差法。,大 学 物 理 实 验,1 直 射 式 时 差 法,(9-2),连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过 时间后，到达 距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：,大 学 物 理 实 验,2 驻 波 共 振 法,驻波：在同一介质中列频率、振动方向、振幅相同的简谐波，在同一直线沿相反方向传播时叠加形成驻波，声波的驻波表达式为 混波：在同一介质中列频率、振动方向相同但振幅不相同的简谐波，在同一
3、直线沿相反方向传播时叠加形成混波,混波的驻波表达式为声压 根据得出 (9-3),大 学 物 理 实 验,发射波反射波的声压方程为 (9-4) 所以发射面L处的接收面的声压值 (9-5),大 学 物 理 实 验,声压节：接收器声压振幅D最小,当,声压腹：接收器声压振幅D最大,大 学 物 理 实 验,图 9-2 超声波产生示意图,(9-6),由S1发出的超声波与S2反射的超声波在S1与S2之间的区域相互干涉而形成类似驻波波腹和波节的结构的混合波。在驻波系统处于共振时，即L满足 时，接收器声压出现最大值，即测试仪（示波器）上可观测到信号幅度最大。因此，相邻两个共振态之间的距离为,在实验中，移动S2，
4、读出连续几个共振状态对应的位置，用逐差法计算声波波长平均值，再乘上共振频率f就可以算出声速。,大 学 物 理 实 验,3相位比较法（李萨如图形法）,图 9-3 驻波法测量声速示意图发射波和接收波之间产生相位差 （9-7）,每改变半个波长的距离，相位差就改变 。,大 学 物 理 实 验,若两个振动的相位差从 变化，则李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆而再变到斜率为负的直线，再经过椭圆变为斜率为正的直线。当相位差 时，此时李萨如图为直线，可选直线的位置作为接收器的测量起点，每移动半个波长会重复出现直线。可用这种方法测出波长，记录下共振频率f，就可以计算声速v。,图 9-5 李萨如图形示意图,图 9
5、-4 李萨如图形随相位的变化,大 学 物 理 实 验,仪 器 用 具,DH-DPL2型多普勒效应及声速综合实验仪 由多普勒效应实验和声速测量实验两大实验模块组成， 由主测试仪、智能运动控制系统和运动系统三个部份组成 2 DS5022ME数字存储示波器3 温度计4 压电陶瓷换能器,大 学 物 理 实 验,1 DH-DPL多普勒效应及声速综合实验仪,图9-6 主测试仪面板图,图9-7 智能运动控制系统面板图,DH-DPL型多普勒效应及声速综合实验仪由多普勒效应实验和声速测量实验两大实验模块组成，由主测试仪、智能运动控制系统和运动系统三个部份组成。,大 学 物 理 实 验,1、发射换能器 2、接收换
6、能器 3、5 限位保护座4、测速光电门 6、接收线支撑杆 7、小车8、测速挡光片和行程撞块 9、步进电机 10、滚花帽11、运动导轨 12、底座 13、光电门I 14、光电门II 15、限位 16、电机控制 17、光电门I插座同步电机18、复位键（红色按钮，功能跟智能运动控制系统后面的复位键一样，滚花帽旁边）19、步进电机电源开关（灰色按钮，步进电机旁边）,图9-8运动系统结构示意图,大 学 物 理 实 验,图9-9 线路连接示意图,大 学 物 理 实 验,2 压电陶瓷换能器,超声波的发射和接收一般是通过电磁振动和机械振动的相互转换来实现的，最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现。频率在2
7、0kHz60kHz之间的超声波，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。,图9-10 纵向换能器的结构简图压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。本实验采用纵向换能器。图9-6为纵向换能器的结构简图。,大 学 物 理 实 验,实验内容及数据处理,直射式时差法 发射、接收换能器均调成0度。 小车的位置大约在170210mm之间。 测试仪进入“时差法测声速”画面（此时，测试仪输出脉冲波：周期40ms，3个25s连续脉冲）。 测试仪的“接收增益”旋钮顺时针调节到最大。 用示波器观察发射、接收波形。具体调节为：按水平（HORZONTAL）
8、下的“MENU”，“时基”取为“Y-T”。CH1灵敏度2.00V，CH2灵敏度500mV或1.00V，探头都是1X。Time为50.00s。稳定波形，调节触发部分（TRIGGER）:信源选择为CH1，触发方式选边沿触发、自动；调节触发电平“LEVEL”使波形稳定。 通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动，列表记录小车的位置L和测试仪上的时间T：,大 学 物 理 实 验, 逐差法求出声速 , 并求出结果表达式：, 记录室内温度 ，计算声速的理论值 ，并将实验值与理论值比较，计算百分差 。,大 学 物 理 实 验,2 驻波共振法和相位法实验步骤, 发射、接收换能器均调成0度。 小车的位置大约在1
9、70210mm之间。 测试仪进入“多普勒效应实验”画面（此时，测试仪输出正弦波）。 测试仪上的“发射强度”旋钮顺时针调节到最大，“接收增益”适中，保证接收的波形不失真。 用示波器观察发射、接收波形。具体调节为：按水平（HORZONTAL）下的“MENU”，“时基”取为“Y-T”。CH1灵敏度5.00V，CH2灵敏度5.00V，探头都是1X。Time为5.000s。稳定波形，调节触发部分（TRIGGER）:信源选择为CH1，触发方式选边沿触发、自动；调节触发电平“LEVEL”使波形稳定。如果发现波形没有占据屏幕大部分空间，可适当改变CH1、CH2的电压灵敏度。特别：可以利用“Auto”按键自动调
10、节出波形。,大 学 物 理 实 验, 调共振：按下“CH1”再按下“OFF”屏蔽CH1的信号；改变测试仪的源频率（f37000Hz，初始值），使接收波幅达到最大值（此时，示波器测量CH2的峰峰值），记录此时的频率： 移动小车，观察接收波有无失真，如失真，将“接收增益”调小（若“接收增益”已最小，可调小“发射强度”）。 通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动（小车的初始位置大约在170210mm之间），远离发射端，找出相邻的6组声压腹（接收波幅极大值），列表记录相应小车的位置和电压峰峰值：, 逐差法求出波长 ，利用 得出声速 ，并求出结果表达式： ，并将实验值与理论值比较，计算百分差。,大 学
11、 物 理 实 验, 示波器按水平（HORZONTAL）下的“MENU”，“时基”取为“XY”。通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动（小车的初始位置大约在170210mm之间），远离发射端，找出相邻的6组直线，列表记录相应小车的位置，数据处理与相同：,3 误差分析：分析和比较3种方法前面的结果，找出 主要误差来源。,大 学 物 理 实 验,注意事项,标尺的精度为0.05mm，仪器误差约定为0.05mm，不须估读，读数方法与游标卡尺相同。小车的位置最远不要超过350mm。时差法测声速时等待T稳定后再读数。,大 学 物 理 实 验,思考题,为什么实验过程中要保持换能器S1和S2相对的两个端面互相平行？否则会有什么后果？为什么要在换能器系统处于共振状态下测声速？怎么调节出共振状态？用相位比较法测量声速时，怎样才能在示波器上观察到李萨如图形？选择什么样的李萨如图形进行测量？驻波法和相位比较法测量声速的精度一样吗？试分析原因。在实验中，常常测量连续几个半波长的长度，而不是测量每个波长，这样做有什么好处？应用超声波测量声速的原理是否可用设计超声温度计？如果10个波长精确到0.02mm，即每个波长精确到0.002mm，在频率不变的情况下，能测到最小温度间隔是多少？【利用误差知识处理】,
