实验题目：空气中超声声速的测定

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1、实验题目：空气中超声声速的测定实验目的：1．了解超声波的发射和接收及换能器的原理和功能。2．理解掌握用共振干涉法、相位比较法和时差法测声速的原理和技术。3．进一步熟悉示波器和信号源的使用方法。实验仪器：实验仪器名称规格型号分度值实验原理：1．超声波与压电陶瓷换能器本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的相互转换，压电换能器做波源具有平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时，在超声波段进行声速测量能够有效避免其它各种声音的干扰。压电陶瓷元件可以实现机械压力和电信号相互转换，当两端加上电信号时产生压力；当两端加上压力时产生电信号。2．驻波法测量原理从声源发出的一定频率的平面

2、声波，经过空气沿一定方向传播到达接收器。如果发射面与接收面相互平行，则在接收面处入射波垂直反射。在接收面与发射面之间的空气中入射波和反射波相干叠加，当接收面与发射面之间的距离l=nλ/2（n=1,2,3,4,…）时，形成稳定的驻波。3．相位法测量原理声波从声源经过传输媒质到达接收器，在发射波和接收波之间产生相位差，此相位差和角频率（）、传播时间t、声速υ、距离Δl、波长λ之间有下列关系：实验步骤：1.驻波法（也称共振干涉法）①首先将信号源输出端与换能器发射头S1连接，再将换能器接收头S2与示波器CH1通道连接。②将声速测定仪上S1与S2紧密接触，使两个端面完全平行,.然后移动S2

3、，使S1与S2的间距大于3cm。调示波器触发方式至“CH1”，Y轴工作方式（YMOOD）至“CH1”，CH1通道输入耦合至“AC”，将信号源“频率调节”钮逆时针旋至最小。③分别打开示波器和信号源电源开关，预热15min,示波器出现扫迹。④各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源波形选择正弦波，调整信号频率(在25~45kHz)，对示波器的扫描时基SEC/DIV进行调节，使在示波器上获得稳定的正弦波。⑤记录室温t1(℃)。微微改变S2的位置，使正弦波振幅达最大；调信号源“频率调节”钮，使正弦波振幅达到极大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点（即谐振频率，在该频率上换能

4、器能输出较强的超声波）。一旦频率选定，实验测量中不再改变。注:观察正弦波振幅达最大时把示波器扫描时基SEC/DIV调节为X-Y模式,显示波的峰-峰值。调信号源“频率调节”钮使峰-峰值调制最大。缓慢移动S2，使其与S1的间距逐渐增大，荧光屏显示正弦波振幅由大到小呈周期性变化。记录每一次振幅达极大值时信号源频率值和S2的位置读数，连续测10次。最后记录室温t2(℃)。2.相位比较法（也称李萨如图形法、行波法）①保持驻波法测量状态不变，示波器Y轴工作方式至“DUAL”，另将信号源输出端与示波器CH2通道连接，CH2通道输入也耦合至“AC”，分别调节CH1、CH2通道偏转因数，使荧光屏上

5、显示幅度相同的两列正弦波。②示波器Y轴工作方式（YMOOD）至CH2，把示波器扫描时基SEC/DIV调节为X-Y模式，观察椭圆形或直线形利萨如图形。③记录室温t1(℃)。微微改变S2的位置，使荧光屏上出现斜率为正的斜直线，记录信号源频率值和S2的位置读数值。缓慢移动S2，使其与S1的间距逐渐增大（或减小），荧光屏显示李萨如图形由直线到椭圆呈周期性变化。记录每一次图形为斜直线时，直线的斜率、信号源频率值和S2的位置读数，连续测10次。实验数据处理：实验室初温：t1=℃；实验室末温：t2=℃驻波法频率(Hz)S2位置(mm)12345678910实验室初温：t1=℃；实验室末温：t2

6、=℃相位比较法频率(Hz)S2位置(mm)+-+-+-+-+-1．驻波法用逐差法处理驻波法实验数据，依公式有=====波速：2．位相法用逐差法处理驻波法实验数据，依公式有=====波速：4.理论值及相对误差的计算由实验室初温和末温：t1=℃，t2=℃可得到实验室内温度的平均值为：t0=(t1+t2)/2==由公式⑴算出声速的理论值：将声速的测量值与理论值进行比较，由可得到：思考题1．形成驻波的条件是什么？两压电换能器的端面为什么要平行？2．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？