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一、实验项目名称：声速测量二、实验目的：1.学会测量超声波在空气中传播速度的方法。2.理解驻波和振动合成理论。3.学会逐差法进行数据整理。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：1.声波在空气中的传播速度：在标况下，干燥空气中的声速为v=331.5m/s，T=273.15K。室温t℃时，干燥空气的声速为v=v。（1+t/T。）^(1/2)2.测量声速的实验方法：v=fλ式中，v声速，f声源震动频率，波长。I．相位法波是震动状态的传播，即相位的传播。若超声波发生器发出的声波是平面波，当接受器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置使得接受到的信号与发射器的激励电信号同相。继续移动接受器，直到找到的信号再一次与发射器的激励电信号同相时，移过的这段距离就等于声波的波长。需要说明的是，在实际操作中，用示波器测定电信号时，由于换能器振动的传递或放大电路的相移，接受器端面处的声波与声源并不同相，总是有一定的相位差。为了判断相位差并测量波长，可以利用双踪示波器直接比较发射器的信号和接收器的信号，进而沿声波传播方向移动接收器寻找同相点来测量波长；也可以利用李萨如图形寻找同相或反相时椭圆退化成直线的点。II．驻波法按照波动理论，超声波发生器发出的平面声波经介质到接收器，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，于是平面声波在两端面间来回反射并叠加。当接收端面与当接受端面与发射头间的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加后的波就形成驻波。此时相邻两波节（或波腹）间的距离等于半个波长（即）。当发生器的激励频率等于驻波系统的固有频率（本实验中压电陶瓷的固有频率）时，会产生驻波共振，波腹处的振幅达到最大值。声波是一种纵波。由纵波的性质可以证明，驻波波节处的声压最大。当发生共振时，接收端面处为一波节，接收到的声压最大，转换成的电信号也最强。移动接收器到某个共振位置时，示波器上又会出现了最强的信号，继续移动接收器到某个共振位置，再次出现最强的信号，则两次共振位置之间距离为λ/2。四、实验仪器：声速测试仪、信号发生器、示波器。五、实验内容及步骤：用驻波法测声速(1)按图连接电路，将信号发生器的输出端与声速仪的输出端S2相连，将声速仪的输出端Sl与示波器的Y端（或通道CH1）相连，让Sl和S2靠近并留有适当的空隙，使两端面平行且与游标尺正交。(2)根据实验室给出的压电陶瓷换能器的振动频率f，将信号发生器的输出频率调至f附近，缓慢移动S2，当在示波器上看到正弦波首次出现振幅较大处，固定S2，再仔细微调信号发生器的输出频率，使荧光屏上图形振幅达到最大，读出共振频率f.(3)在共振条件下，将S2移近S1，再缓慢移开S2，当示波器上出现振幅最大时，记下S2的位置x0.(4)由近及远移动S2，逐次记下各振幅最大时S2的位置，连续测20个数据xl，x20。(5)用逐差法算出声波波长的平均值。2．用相位法测声速(1)按图连接电路。(2)将示波器“秒／格”旋钮旋至X-Y挡，信号发生器接示波器CH2通道，利用李萨如图形观察发射波与接收波的位相差，找出同相点。(3)在共振条件下，使S2靠近S1，然后慢慢移开S2，当示波器上出现45。倾斜线时，微调游标卡尺的微调螺丝，使图形稳定，记下S2的位置xo’。(4)继续缓慢移开S2，依次记下20个示波器上李萨如图形为直线时游标卡尺的读数x1’，…，x20’。(5)用逐差法算出声波波长的平均值。六、数据记录及处理1.驻波法项目S2坐标/mmX1X2X3X4X5X6X7X8X9X10151.47151.38155.97156.92160.03165.52169.34174.80179.57183.89逐差（5△x)x6-x1x7-x2X8-x3X9-x4X10-x514.0517.9618.8322.6523.862.相位法项目S2坐标/mmX1X2X3X4X5X6X7X8X9X10184.89189.38193.18198.74203.48207.18212.76217.51221.99226.67逐差（5△x)x6-x1x7-x2X8-x3X9-x4X10-x522.2923.3824.3323.2523.19七、实验结果分析与小结实验结果正常误差分析：1.由于两金属面并非绝对平行,可能导致实验结果有所误差。2.由于信号发生器频率始终在变化之中,无法确定,导致实验结果有所误差。3.其他声音造成的干扰。4.在观察波形时,无法准确的找到峰值和直线的位置。思考：为什么要在谐振频率条件下进行声速测量？如何调节和判断测量系统是否处于谐振状态？谐振时超声波的发射和接收效率均达到最高；保持其他条件不变，仅仅改变信号发生器的输出频率，观察接收到得超声波信号幅度，出现极大值时对应的频率就是谐振频率。声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？从波源上说，干涉法、相位法用的是连续波，时差法用的是脉冲波。从测量仪器上说，干涉法、相位法要用示波器、刻尺和频率计，时差法用的是计时仪器和刻尺。从原理上说，干涉法、相位法原理相同，均是发射波和返回波形成驻波（在力学里对应的称共振），测量波腹到波腹之间的距离或驻波相位差为2Pi（两个波腹到波腹之间的距离）距离来计算波速（波腹到波腹之间的距离为声波长的1/2,用波长乘以频率既得声速），这种方法的优点是通过示波器观测波形直观，又可以讲解驻波和李萨如图形，涉及知识点较多，一般学校都会选择这两种方法做测量，缺点是波腹和相位差所对应的示波器波形判断人为因素太大，测量出来的数据偏差较大；时差法所用为脉冲波，可人为改变接收器到发射器的距离，测量脉冲发射到接收的时间差，用距离改变量除以时间改变量即可，优点是人为因素少，测量精度高，缺点（对于实验教学来说）涉及的内容少，操作太简单。