石河子大学：《综合物理实验》课程实验讲义（近代物理实验）声速测定.pdf_大学文库

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义声速测定声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，它是纵波频率小于20H的声波为次声波，频率在20Hz 20k业的为可闻声波，大于20k业为超声波。超声波具有波长短、易于定向发射等优点，而且超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性和状态有关，通过媒质中声波的测定可了解媒质的特点。声波特性的测量是声学技术中的重要内容，特别是声速的测量，在定位、探伤、测距等应用中都具有重要的意义。【实验目的】 1,了解超声波产生和接收原理及换能器的原理和功能 2.掌握用共振干涉法和相位比较法测最声速。 3.进一步熟悉示波器和音频信号发生器的功能和使用方法。【实验器材】 DHSV系列声速测试仪，示波器，声速测试仪信号源。 1.超声声速测定装置该装置由换能器和游标卡尺及支架构成。换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成，压电陶瓷片 (如钛酸钡、钻钛酸铅等)是由具有多晶结构的压电材料做成的，在一定的温度下经极化处理后，它具有压电效应。在简单情况下，压电材料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，它们之间有线性关系：反之，当极化方向一致的外加电压加在压电材料上时，材料的伸缩形变与电压也存在者线性关系，这样我们就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的波源，同样也可以将声压变化转变为电压的变化，用来接收声信号。在压电陶瓷片的前后两端胶粘两块金属，组成夹心型板子。头部用轻金属做成喇叭形，尾部用重金屈做成锥成或柱形，中部为压电陶瓷圆环，紧固螺钉穿过环中心。这种结构增大了辐射面积，增强了振子与介质的耦合作用，由于振子是以纵向长度的伸缩直接影响前部轻金属做同样的纵向长度伸缩（对尾部重金属作用小)，这样所发射的波方向性强，平面性好。换能器有一谐振频率，当外加声波信号的频率等于此频率时，陶瓷片将发生机械谐振，得到最强的电压信号，此时换能器具有最高的灵敏度：反过来，当输入的电压使换能器产生机械谐振时，作为波源将具有最强的发射功率。 2.示波器及信号源参见“示波器的说明书”。【实验原理】测量声速的方法可分为两类：一是测出声波传播距离L和所需的时间1，由v=算出声速：二

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义声速测定声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，它是纵波。频率小于20 Hz 的声波为次声波，频率在20 Hz～ 20 kHz 的为可闻声波，大于 20 kHz 为超声波。超声波具有波长短、易于定向发射等优点，而且超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性和状态有关，通过媒质中声波的测定可了解媒质的特点。声波特性的测量是声学技术中的重要内容，特别是声速的测量，在定位、探伤、测距等应用中都具有重要的意义。【实验目的】 1．了解超声波产生和接收原理及换能器的原理和功能 2. 掌握用共振干涉法和相位比较法测量声速。 3．进一步熟悉示波器和音频信号发生器的功能和使用方法。【实验器材】 DHSV 系列声速测试仪，示波器，声速测试仪信号源。 1．超声声速测定装置该装置由换能器和游标卡尺及支架构成。换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成，压电陶瓷片（如钛酸钡、锆钛酸铅等）是由具有多晶结构的压电材料做成的，在一定的温度下经极化处理后，它具有压电效应。在简单情况下，压电材料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，它们之间有线性关系；反之，当极化方向一致的外加电压加在压电材料上时，材料的伸缩形变与电压也存在着线性关系，这样我们就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的波源，同样也可以将声压变化转变为电压的变化，用来接收声信号。在压电陶瓷片的前后两端胶粘两块金属，组成夹心型板子。头部用轻金属做成喇叭形，尾部用重金属做成锥成或柱形，中部为压电陶瓷圆环，紧固螺钉穿过环中心。这种结构增大了辐射面积，增强了振子与介质的耦合作用，由于振子是以纵向长度的伸缩直接影响前部轻金属做同样的纵向长度伸缩（对尾部重金属作用小），这样所发射的波方向性强，平面性好。换能器有一谐振频率ƒ0，当外加声波信号的频率等于此频率时，陶瓷片将发生机械谐振，得到最强的电压信号，此时换能器具有最高的灵敏度；反过来，当输入的电压使换能器产生机械谐振时，作为波源将具有最强的发射功率。 2．示波器及信号源参见“示波器的说明书”。【实验原理】测量声速的方法可分为两类：一是测出声波传播距离 L 和所需的时间t ，由 t v = L 算出声速v ；二 1

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义是利用关系式v=∫，通过测量频率∫和波长入来计算声速V。本实验所采用的时差法测量波速属于前者，而共振干涉法和位相比较法，都属于后者。 1.共振干涉法（驻波法）设有一从发射源发出的一定频率的平面波，经过空气传播，到达接收器。如果接收面与反射面严格平行，入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射相干涉形成驻波。实验装置如图1所示，两个超声换能器间的距离为L,其中左边一个作为超声源（发射头S1),信号源输出的正弦电压信号接到S1上，使$1发出超声波：右边的作为超声的接收头S2,把接收到的声压转变成电信号后输入示波器观察。 S2在接收超声波的同时，还向S1反射一部分超声波，这样由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在 S1和S2之间的区域干涉而形成驻波。驻波相邻两波腹（或波节）之间的距离为半波长。改变S1、S2 之间的距离L,当其为半波长的整倍数时，媒质中出现稳定的驻波共振现象。在一系列特定的位置上， S2面接收到的声压达到极大值（或极小值），相邻两极大值（或极小值）之间的距离皆为半波长，此时在示波器屏上所显示的波形幅值发生周期性的变化，即由一个极大值变到极小，再变到极大，而幅值每一次周期性的变化，就相当于L改变了半个波长。若从第n个共振状态变化到第+1个共振状态时，S2 移动的距离为△L,则 =a+经-月即2-2△L y=if=2fAL (1) 数显游标卡尺摇芋鼓轮 si 1S2 发射换能器接收换能器洲试槽壁图1实验装置与工作原理图 2.位相比较法波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。若传播方向的点与声源的距离是波长的整数倍时则这些点具有相同的相位。从S1发出的超声波通过媒质传到接收头S2,接收头和发射头之间便产生了位相差P,此位相差的大小与角率0=2π、传播时间1、声速”、波长元以及S1和S2之间的距密 L有下列关系：

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义是利用关系式v = λf ，通过测量频率 f 和波长 λ 来计算声速。本实验所采用的时差法测量波速属于前者，而共振干涉法和位相比较法，都属于后者。 v 1．共振干涉法（驻波法）设有一从发射源发出的一定频率的平面波，经过空气传播，到达接收器。如果接收面与反射面严格平行，入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射相干涉形成驻波。实验装置如图 1 所示，两个超声换能器间的距离为 L，其中左边一个作为超声源（发射头 S1），信号源输出的正弦电压信号接到 S1 上，使 S1 发出超声波；右边的作为超声的接收头 S2 ，把接收到的声压转变成电信号后输入示波器观察。 S2 在接收超声波的同时，还向 S1 反射一部分超声波，这样由 S1 发出的超声波和由 S2 反射的超声波在 S1 和 S2 之间的区域干涉而形成驻波。驻波相邻两波腹（或波节）之间的距离为半波长。改变 S1、S2 之间的距离 L，当其为半波长的整倍数时，媒质中出现稳定的驻波共振现象。在一系列特定的位置上， S2 面接收到的声压达到极大值（或极小值），相邻两极大值（或极小值）之间的距离皆为半波长，此时在示波器屏上所显示的波形幅值发生周期性的变化，即由一个极大值变到极小，再变到极大，而幅值每一次周期性的变化，就相当于 L 改变了半个波长。若从第 n 个共振状态变化到第 n+1 个共振状态时，S2 移动的距离为△L，则 2 2 2 ( 1) λ λ λ ∆L = n + − n = 即 λ = 2∆L v = λf = 2 f∆L （1） 2．位相比较法波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。若传播方向的点与声源的距离是波长的整数倍时，则这些点具有相同的相位。从 S1 发出的超声波通过媒质传到接收头 S2，接收头和发射头之间便产生了位相差ϕ ，此位相差的大小与角频率ω = 2π f 、传播时间 t、声速v 、波长λ 以及 S1 和 S2 之间的距离 L 有下列关系： 2

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义 p=0m=2r5-2x月由此可以推出，L每政变一个波长，位相差就变化2，通过观察位相差的变化△，便可测出2 将发射头S1和接收头S2的正弦电压信号分别输入到示波器的CH1和CH2通道，在屏上便显示出频率为1：1的李萨如图。改变L时，两个谐振动的位相差从0一，图形就从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线：位相差再由0~2，图形又从斜率为负曲线变为椭圆，再变回斜率为正的直线，如图2所示。为了便于判断，选择李萨如图为直线时作为测量的起点，移动S2,当L变化一个波长时，就会重复出现同样斜率的直线。 3.时差法测量波速连续波经过脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，经时间：后，到达1距离处的接收换能器。波速由公式v=得出。利用时间显示窗口显示出S1到S2间距离1的时间t,从数显尺上读出S1及S2间的相对距离，即可计算得出波速。 4-0 p=π/2 伞=元 p=3/2 伞=2π 图2李萨如图形与两垂直简谐运动的相位差【实验内容及步骤】 1.熟悉仪器请参照有关内容，熟悉信号源及示波器面板上各按钮和旋钮的作用以及它们的操作方法，特别应注意相关的注意事项 2.用共振干涉法测量波长和声速 (1)准备。如图3连接好仪器，仪器在使用之前，开机预热10m,自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态。并观察S1及S2是否平行。 (2)测量信号源的输出频率。将示波器下半部分工作方式置于CH2位置，观察示波器接收到的信号，移动S1(S2为接收器，固定不动)使S1到S2间距离约为5cm左右，调节信号源发射强度旋钮，使输出的正弦波幅度约为10V~15V左右，调节信号频率旋纽，从最小开始调起，同时观察输出图形，寻找到信号最强处，此时信号源左下角信号指示灯亮。这时的信号发生器的输出频率就是本系统的谐振频率 (工作频率0)。自行设计数据记录表格，测量3次谐振频率，求出平均值。 (3)测量。沿固定方向缓慢移动S1,观察示波器上信号的变化情况，选择一个信号的最大位置（波

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义 λ ϕ ω π π L v L = t = 2 f = 2 (2) 由此可以推出，L 每改变一个波长 λ，位相差就变化 2л，通过观察位相差的变化△φ，便可测出 λ。将发射头 S1 和接收头 S2 的正弦电压信号分别输入到示波器的 CH1 和 CH2 通道，在屏上便显示出频率为 1:1 的李萨如图。改变 L 时，两个谐振动的位相差从 0～л，图形就从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线；位相差再由 0～2л，图形又从斜率为负曲线变为椭圆，再变回斜率为正的直线，如图 2 所示。为了便于判断，选择李萨如图为直线时作为测量的起点，移动 S2，当 L 变化一个波长时，就会重复出现同样斜率的直线。 3．时差法测量波速连续波经过脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，经时间 t 后，到达 l 距离处的接收换能器。波速由公式 t l v = 得出。利用时间显示窗口显示出 S1 到 S2 间距离 l 的时间 t，从数显尺上读出 S1 及 S2 间的相对距离，即可计算得出波速。【实验内容及步骤】 1．熟悉仪器请参照有关内容，熟悉信号源及示波器面板上各按钮和旋钮的作用以及它们的操作方法，特别应注意相关的注意事项。 2．用共振干涉法测量波长和声速（1）准备。如图 3 连接好仪器，仪器在使用之前，开机预热 10min，自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态。并观察 S1 及 S2 是否平行。（2）测量信号源的输出频率f0。将示波器下半部分工作方式置于CH2 位置，观察示波器接收到的信号，移动S1（S2 为接收器，固定不动）使S1 到S2 间距离约为 5cm左右，调节信号源发射强度旋钮，使输出的正弦波幅度约为 10V~15V左右，调节信号频率旋钮，从最小开始调起，同时观察输出图形，寻找到信号最强处，此时信号源左下角信号指示灯亮。这时的信号发生器的输出频率就是本系统的谐振频率（工作频率f0）。自行设计数据记录表格，测量 3 次谐振频率，求出平均值。（3）测量。沿固定方向缓慢移动S1，观察示波器上信号的变化情况，选择一个信号的最大位置（波 3

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义 331.4mS是T6=273.13张时的声速： 3.用相位比较法测量波长和声速 (1)准备。接好线路，将两换能器间的距离调到5cm左右。将示波器调至信号合成状态，TIE/DIV 旋钮置于X-Y方式，使屏幕上出现稳定的、大小适中的李萨如图形。 (2)测量。逐步增加两块换能器间的距离，屏幕上的李萨如图形会做周期性的改变。选直线做初始状态，以后每当出现与初始直线斜率相同的斜线时记录下接收器的位置1i,自行设计数据记录表格、连续测10个点，用逐差法处理数据，得出波长、声速及误差，并与利用公式(2)所得值进行比较，对结果进行讨论。 4.用时差法测量声速（此步骤与示波器无关） (1)测量空气中声波速度将S1与S2之间距离调节至≥50m,这是因为两间距太近或太远时，信号干扰太多。固定S2,记录 S1时的L1、T1,再移动S1至某一位置L2、T2。若此时时间显示窗口数字变化较大，可通过调节接收增益来调整，当时间显示稳定时，记录时间T,计算波速， T-T 自行设计数据记录表格，要求测量5次波速，取平均值。 (2)测量液体（水）中声波速度在测试槽中加入自来水，重复上述(1)中步骤，测量水中声波速度。采用时差法测量比较准确，信号源内有单片机计时装置，具有8位有效数字，同时信号测量为随机测量，不因为目测信号的大小而产生误差。在测量固体及液体中的声速时，由于固体杂质或气泡等因素的影响，最好用时差法来进行测量。【思考题】 1,实验前为什么要调整测试系统的谐振频率？怎样进行调整 2.用逐差法处理实验数据的优点是什么？ 3.若周定两换能传感器之间的距离，改变频率，能否测最出声速？为什么？ 4.测最波长时，为何要测最几个半波长的总长？【注意事项】 1。测量声波在固体中的传播速度时，要注意固体材料棒与传感器之间的良好接触，必要时在接触面间均匀涂抹硅雕。 2.测量液体时，注意液体要覆盖住传感器，但不得与实验装置的移动轴和数显装置接触，以免损害仪器，倒出液体时也应小心

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义 331.4 m·S－1 是T0＝273.13k时的声速； 3．用相位比较法测量波长和声速（1）准备。接好线路，将两换能器间的距离调到 5cm 左右。将示波器调至信号合成状态，TIME/DIV 旋钮置于 X-Y 方式，使屏幕上出现稳定的、大小适中的李萨如图形。（2）测量。逐步增加两块换能器间的距离，屏幕上的李萨如图形会做周期性的改变。选直线做初始状态，以后每当出现与初始直线斜率相同的斜线时记录下接收器的位置 li，自行设计数据记录表格，连续测 10 个点，用逐差法处理数据，得出波长、声速及误差，并与利用公式（2）所得值进行比较，对结果进行讨论。 4．用时差法测量声速（此步骤与示波器无关）（1）测量空气中声波速度将 S1 与 S2 之间距离调节至≥50mm，这是因为两间距太近或太远时，信号干扰太多。固定 S2，记录 S1 时的 L1、T1，再移动 S1 至某一位置 L2、T2。若此时时间显示窗口数字变化较大，可通过调节接收增益来调整，当时间显示稳定时，记录时间 T，计算波速 υ， 2 1 2 1 T T L L − − υ = 自行设计数据记录表格，要求测量 5 次波速，取平均值。（2）测量液体（水）中声波速度在测试槽中加入自来水，重复上述（1）中步骤，测量水中声波速度。采用时差法测量比较准确，信号源内有单片机计时装置，具有 8 位有效数字，同时信号测量为随机测量，不因为目测信号的大小而产生误差。在测量固体及液体中的声速时，由于固体杂质或气泡等因素的影响，最好用时差法来进行测量。【思考题】 1．实验前为什么要调整测试系统的谐振频率？怎样进行调整？ 2．用逐差法处理实验数据的优点是什么？ 3．若固定两换能传感器之间的距离，改变频率，能否测量出声速？为什么？ 4．测量波长时，为何要测量几个半波长的总长？【注意事项】 1．测量声波在固体中的传播速度时，要注意固体材料棒与传感器之间的良好接触，必要时在接触面间均匀涂抹硅脂。 2．测量液体时，注意液体要覆盖住传感器，但不得与实验装置的移动轴和数显装置接触，以免损害仪器，倒出液体时也应小心。 5