大学物理实验超声波速测量实验报告

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1、大学物理实验超声波速测量实验报告一实验目的1.了解超声波的物理特性及其产生机制；2.学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据；3.测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数；4.并运用超声波检测声场分布。5.学习超声波产生和接收原理，6.学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。7.观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射二实验条件HLD-SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪三实验原理1、超声波的有关物理知识声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次声波（

2、＜20Hz）、声波（20Hz≤≤20kHz）、超声波（>20kHz）和特超声波（≥10MHz），如下图。声波频谱分布图振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波：横波：质点振动方向和传播方向垂直的波，它只能在固体中传播。纵波：质点振动方向和传播方向一致的波，它能在固体、液体、气体中的传播。表面波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，介质表面的质点做椭圆的振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，可分为SH波与兰姆波。超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特

3、的特点：绕射现象小，方向性好，能定向传播；能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远，而且在液体里的衰减和吸收是比较低的；能在异质界面产生反射、折射和波形转换。2、理想气体中的声速值声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为(1)式中R为气体普适常量(R=8.314J/(mol.k))，是气体的绝热指数(气体比定压热容与比定容热容之比)，为分子量，为气体的热力学温度，若以摄氏温度t计算，则：代入式(1)得，(2)对于空气介质，0℃时的声速=331.45/s。若同

4、时考虑到空气中的蒸汽的影响，校准后声速公式为：(3)式中为蒸汽的分压强，p为大气压强。3、共振干涉法设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器，如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反射面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳定的驻波共振现象。此时，等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出，在移动接收器的过程中，相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长

5、。因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离()，就可以用计算声速。声压变化与接收器位置的关系：4、相位比较法发射波通过传声媒质到达接收器，所以在同一时刻，发射处的波与接收处的波的相位不同，其相位差可利用示波器的李萨如图形来观察。和角频率、传播时间之间有如下关系：同时有：,（式中T为周期），代入上式可求得声速V。的确定用如下方法：根据当时，得。实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，可观察到相位的变化。而当相位差改变时，相应的距离的改变量即为半个波长。为精确测定波长的值，在实际的操作中要连续

6、测多个相位改变的点的坐标，再用逐差法算出波长的值，根据波长和频率值可求出声速。行波法相位差图：5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射　由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速；并研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。6、声波的干涉和衍射双缝干涉实验装置如图1所示。对于不同的角，如果从双缝到接收器的程差是零或波长的整数倍，就会产生相长干涉，因而

7、观察到干涉强度的极大值；当程差是半波长的奇数倍时，干涉强度有极小值。因此，干涉强度出现极大值与极小值的条件如下：极大值：(4)极小值：(5)式中，n为零或整数，d为二个缝中心位置的距离，为声音的波长。图1衍射效应用超声波也可以观察到，采用1个单缝，如图2所示。当来自单缝的一半的辐射与来自另一半的辐射相差半波长奇数倍时，会产生相消干涉，因此相消干涉条件是：（6）式中，n=0，±1，±2，……，a为单缝缝宽，为接收器离中心位置转过角度。图2三、实验内容(一)：声音在空气中传播速度测量1、调整测试系统的谐振频率按图4将实验装置接好

8、。正弦波的频率取40KHz，调节接收换能器尽可能近距离，且使示波器上的电源信号为最大。然后，将两个换能器分开稍大些距离（约5-6cm），使接收换能器输入示波器上的电压信号为最大。再调节频率，使该信号确实为该位置极大值。此时信号源输出频率才最终等于二个换能器的固有频率。在该频率上，换能器输出