1、聲速檢測一、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：波速檢測二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會(huì)檢測超聲波在空氣中的傳播速率的方式2.理解串?dāng)_和震動(dòng)合成理論3.學(xué)會(huì)逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理4.了解壓電換能器的功能和培養(yǎng)綜合使用儀器的能力三、實(shí)驗(yàn)原理聲波的傳播速率與聲波頻度和波長的關(guān)系為：可見，只要測出聲波的頻度和波長，即可求出波速。可由聲源的震動(dòng)頻度得到，為此，實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是怎樣測定聲波波長。按照超聲波的特性，實(shí)驗(yàn)中可以采用幾種不同的方式測出超聲波的波長：1.串?dāng)_法（共振干涉法）如下圖所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)將訊號(hào)發(fā)生器輸出的余弦電流訊號(hào)接到發(fā)射超聲換能器上，超聲發(fā)射換能器通過電聲轉(zhuǎn)換，將電流訊號(hào)變?yōu)槌暡ǎ猿暡ǚ绞桨l(fā)射出去。接收換能器通過
2、聲電轉(zhuǎn)換，將聲波訊號(hào)變?yōu)殡娏饔嵦?hào)后，送入示波器觀察。由聲波傳播理論可知，從發(fā)射換能器發(fā)出一定頻度的平面聲波，經(jīng)過空氣傳播，抵達(dá)接收換能器。假如接收面和發(fā)射面嚴(yán)格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波與反射波互相干涉產(chǎn)生串?dāng)_。此時(shí)，兩換能器之間的距離恰好等于其聲波半波長的整數(shù)倍。在聲串?dāng)_中，波腹處信噪比（空氣中因?yàn)槁晹_動(dòng)而導(dǎo)致的超出靜態(tài)大氣浮力的那部份浮力）最小，而波節(jié)處響度最大。當(dāng)接收換能器的反射界面處為波節(jié)時(shí)，響度效應(yīng)最大，經(jīng)接收器轉(zhuǎn)換成聯(lián)通號(hào)后從示波器上觀察到的電流訊號(hào)幅值也是極大值，所以可從接收換能器錐面響度的變化來判定超聲波串?dāng)_是否產(chǎn)生。聯(lián)通千分尺游標(biāo)，改變兩只換能器錐面的距離，在一系列
3、特定的距離上，媒質(zhì)上將出現(xiàn)穩(wěn)定的串?dāng)_共振現(xiàn)象，此時(shí)，兩換能器間的距離等于半波長的整數(shù)倍，只要我們檢測接收換能器輸出電流幅度的變化，記錄下相鄰兩次出現(xiàn)最大電流數(shù)值時(shí)（即接收器坐落波節(jié)處）千分尺的讀數(shù)（兩讀數(shù)之差的絕對(duì)值等于半波長），則按照公式：就可算出超聲波在空氣中的傳播速率，其中超聲波的頻度可由訊號(hào)發(fā)生器直接讀得。2.相位比較法實(shí)驗(yàn)接線如右圖所示。波是震動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說是位相的傳播。在聲波傳播方向上，所有質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)位相逐一落后，各點(diǎn)的震動(dòng)位相又隨時(shí)間變化。聲波波源和接收點(diǎn)存在著位相差，而那位相差則可以通過比較接收換能器輸出的聯(lián)通號(hào)與發(fā)射換能器輸入的余弦交變電流信號(hào)的位相關(guān)系中得出，并可借助
4、示波器的李薩如圖形來觀察。位相差和角頻度、傳播時(shí)間t之間有如下關(guān)系：同時(shí)有，（式中T為周期）代入上式得：當(dāng)（n=1，2，3，.）時(shí)，可得。由上式可知：當(dāng)接收點(diǎn)和波源的距離變化等于一個(gè)波長時(shí)，則接收點(diǎn)和波源的位相差也剛好變化一個(gè)周期（即=2）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過改變發(fā)射器與接收器之間的距離，觀察到相位的變化。當(dāng)相位差改變時(shí)，相應(yīng)距離的改變量即為半個(gè)波長。按照波長和頻度即可求出聲速。四、實(shí)驗(yàn)儀器波速檢測儀、示波器、信號(hào)源五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、測量波速測定儀的共振頻度：不斷改變訊號(hào)源所形成的頻度，觀察波形2峰值的變化。通過旋轉(zhuǎn)鼓輪觀察波形2的峰值，當(dāng)旋轉(zhuǎn)鼓輪前進(jìn)或倒退，2波形的最大峰值均減少，
5、則此時(shí)為共振頻度。2、用串?dāng)_法（共振法）測波速：示波器采用YT模式，記錄節(jié)點(diǎn)的位置，節(jié)點(diǎn)處振幅為零即響度最大，對(duì)應(yīng)的振幅最大，通過旋轉(zhuǎn)鼓輪觀察波形2的峰值，當(dāng)旋轉(zhuǎn)鼓輪前進(jìn)或倒退，2波形的最大峰值均減少，則此目標(biāo)為節(jié)點(diǎn)位置物理實(shí)驗(yàn)聲速的測定，記錄此時(shí)的刻度物理實(shí)驗(yàn)聲速的測定，記為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用同樣的方式找尋下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至第10個(gè)。3、用相位比較法（李薩如圖形法）測波速：示波器轉(zhuǎn)換成XY模式，通過旋轉(zhuǎn)鼓輪找直線圖形，記錄此時(shí)的刻度，依次記錄10個(gè)相同形狀的直線的位置。六、數(shù)據(jù)記錄及處理（一定要有數(shù)據(jù)估算的具體步驟，要進(jìn)行不確定度的估算）1、駐波法f37.用串?dāng)_法測得V=347.3035（m·s-1）不確
6、定度抒發(fā)結(jié)果V=（347.3035±0.0093）m·s-1相對(duì)偏差為1.13672、相位法f37.用串?dāng)_法測得V=347.2003（m·s-1）不確定度抒發(fā)結(jié)果V=（347.2003±0.0109）m·s-1相對(duì)偏差為1.1067七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果剖析與小結(jié)偏差剖析通過估算發(fā)覺，兩種方式波速檢測值都比理論值偏大。我覺得有以下幾個(gè)誘因：1、測量偏差，讀數(shù)時(shí)不夠精確，觀察波形峰值時(shí)存在偏差。2、旋轉(zhuǎn)鼓輪車速渡過快，且有部份數(shù)據(jù)存在斜度差。3、儀器本身存在的偏差。4、觀察李薩如圖像時(shí)圖象較小，觀察重合時(shí)造成偏差很大。5、空氣
7、中富含水蒸氣及其它雜質(zhì)，聲音在這種物質(zhì)中的傳播速率都要比在空氣中的傳播速率大。實(shí)驗(yàn)看法通過此次實(shí)驗(yàn)，我學(xué)習(xí)了波速檢測的相關(guān)原理。其實(shí)，在其中也遇見了好多問題。諸如在操作過程中示波器在的2波形超過了屏幕，通過調(diào)節(jié)位置和格數(shù)按鍵使其全部顯示在屏幕上。在讀數(shù)時(shí)也想起了螺旋測微計(jì)讀數(shù)技巧，他比游標(biāo)千分尺更精確。了解了壓電換能器的工作原理，換能器要在諧振頻度條件下進(jìn)行波速測定，由于在諧振頻度下，反射面之間的信噪比達(dá)極大值。這樣從示波器上觀察到的電流訊號(hào)幅值為最大，因而更利于觀察。在實(shí)驗(yàn)過程中必須有耐心，例如用串?dāng)_法確定節(jié)點(diǎn)位置時(shí)必須漸漸來，不能調(diào)節(jié)太快。要清除斜度差就要注意單方向旋轉(zhuǎn)。對(duì)于串?dāng)_法和相位比較法也有了一個(gè)大約的了解和比較。波速檢測中的串?dāng)_法是觀測聲波與其反射波所產(chǎn)生的串?dāng)_。因?yàn)椋淖儼雮€(gè)波長的傳播路程,串?dāng)_的升幅會(huì)變化一個(gè)周期。相位法是比較接收波與發(fā)射波的相位差，在示波器上產(chǎn)生李薩如圖。但我覺得兩種方式都是用同樣儀器完成，所以從本質(zhì)上來說沒有區(qū)別。對(duì)于科學(xué)原理和現(xiàn)象，我們也應(yīng)當(dāng)從不同的角度去驗(yàn)證他的正確性。實(shí)驗(yàn)過后，我又有了一點(diǎn)思索。共振頻度其實(shí)是固定的，并且作為我們檢測的確切性來說，我認(rèn)為也應(yīng)當(dāng)多次檢測。這些檢測聲波速率的方式，對(duì)于一切以波的方式傳播來說，是不是都可以檢測他的速率呢。這些實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)我們獨(dú)立思索做事的能力會(huì)有很大提高。八、附上原始數(shù)據(jù)