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實驗報告：波速檢測【實驗目的】。 了解波速與介質參數之間的關系。 【實驗原理】超聲波具有波長短、易定向發射、易反射等??優點。 超聲波波段傳導波速檢測的優點是超聲波的波長短，可以在短距離內更準確地測量波速。 超聲波的發射和接收通常是通過電磁振動和機械振動的相互轉換來實現的。 常見的方式是利用壓電效應和磁致伸縮效應來實現。 本實驗使用由壓電陶瓷制成的換能器（探頭）。 這些壓電陶瓷可以在機械振動和交流電之間單向轉換能量。 聲波的傳播速率與其頻率、波長的關系為： (1) 由式(1)可知，通過測量聲波的頻率和波長，即可得到波速。 類似地，傳播速率也可以用vL/t(2)來表示。 如果測量聲波傳播的距離L和傳播時間t，也可以獲得波速。 諧振干涉法實驗裝置如圖1所示。圖中，S1和S2為壓電晶體換能器，S1作為聲波源。 它被低頻信號發生器輸出的交流信號激勵后，受到逆壓電效應的影響。 它被迫振動并向空氣中的一個方向發射近似平面的聲波； S2是超聲波接收器，當聲波到達其接收面時，再次被反射。 當S面近似平行時，聲波在兩個平面之間來回反射。 當兩個平面的寬度L為半波長的整數倍時，即S1發出的聲波與S1處反射的聲波之間的相位差為2nπ（n=1、2），從而得到由于受話器S2的表面振動位移可以忽略不計，因此它是位移的節點和響度的波腹。
這個實驗測試的是信噪比，因此當發生諧振時，接收器的輸出會明顯降低。 在示波器上觀察到的聯通信號的幅度也是最大值（見圖2）。 圖中每個最大值之間的距離為λ/2。 由于散射和其他損耗，每一級的近似幅度隨著距離的減小而逐漸減小。 只要測量出每個最大值對應的接收器S2的位置，就可以測量出波長。 讀取信號源發出的超聲波的頻率值后，可通過式（1）得到波速。 比較法波是振動狀態的傳播，也可以說是相位的傳播。 當波傳播方向上任意兩點同相時，兩點之間的距離為波長的整數倍。 借助這一原理，可以準確地檢測波長。 實驗裝置如圖1所示，接收器S2沿波的傳播方向連接。 當接收到的信號再次與發射器同相時，兩國之間的距離就等于聲波的波長。 同樣南昌大學物理實驗聲速的測量，相位差也可以借助利薩如圖來確定。 實驗中輸入示波器的信號來自同一信號源，且頻率嚴格相同。 因此，李薩如圖形是橢圓。 橢圓的傾斜度與兩個信號的相位差有關。 當兩個信號之間的相位差為0或π時，橢圓就變成一條傾斜的直線。 時差法時差法檢測波速的實驗裝置仍采用上述儀器。 信號源提供脈沖信號λ。 如果無法測量 20 個最大值，則可以少測量幾個（必須是質數）并以類似的方式進行估計。 【實驗數據記錄、實驗結果估算】 實驗時溫度為16℃，空氣中波速理論值為273.15）=341.019π/π1。 共振干擾法頻率f=35.617采用逐差法進行數據處理。 處理過程由C++程序完成。 程序如下：通過S1發送一個脈沖波。 脈沖信號傳播一定距離后被S2接收南昌大學物理實驗聲速的測量，然后信號返回信號源。 對信號源內部電路進行分析比較后，可以從游標千分尺上讀出輸出脈沖信號在S之間的傳播時間t和傳播距離L。 波速可以利用公式(2)來估計。
逐差法數據處理本實驗中，如果用游標千分尺測量2n個最大值的位置，依次計算出每個n 10L（mm）的數量為50.0052.5854.4157.4659.6362.4064.4667.3770.6072。 16: (毫米)74.0177.0079.0181.8483.8086.9288.7891.6693.3196.49##;=10;=35.617;[2*n]={50.00,52.58,54.41,57.46,59.63,62.40,64.46,6 7.37、70.60、 72.16, 74.01, 77.00,79.01,81.84,83.80,86.92,88.78,91.66,93.31,96.49};=0;()for(inti=0;in;i++)LMD+=(L[n+i]-L[ i])* 2/n/n;("v=%.3lfn",LMD*f*2);("pause");相位比較法頻率f=35.618采用逐差法數據處理，處理過程由C++程序完成。 程序編號如下：10L(mm)54.8264.4174.0283.7493.40103.06112.90122.36131.86141.09##;=35.618;[2*n]={54.82,64.41,74.02,83.74,93.40,103.0 6,112.90,122.36, 131.86,141.09};=0;()for(inti=0;in;i++)LMD+=(L[n+i]-L[i])/n/n;("v=%.3lfn " ,LMD*f);(“暫?！?;利用時差法檢測空氣中波速的電腦圖如下：No./mm56.8055.8666.8171.8576.8281.8386.8191.86 因為第二組數據有偏差較大，則剔除。
計算機估計v=344.41。 利用時間差法檢測液體中波速的計算機圖如下：No./mm105.24110.02115.00120.05125.04130.06135.01140.05 計算機估計v=1449.43 [分析與討論] 1 關于偏差，雖然做這個實驗需要非常精確的操作。 為了獲得更加準確的結果，除了需要大家時刻專心觀察和操作儀器外，還需要兩個人的默契配合。 其實還是有一些基本的事情需要注意的。 例如，操作距離旋鈕時，最好不要旋轉太快，接近讀數點時減慢速度，最好不要向相反方向旋轉旋鈕； 最好將示波器的圖像調整到合適的大小和位置，以便于觀察和減少偏差。 觀察李沙如圖像時，應選擇水平線段或垂直線段之一作為標準，否則很難判斷所連接的線段是波長還是半波長。 此時應盡可能放大圖像，因為小圖像在觀測重疊時會造成較大偏差。 事實上，最終的測量結果仍然存在一定的誤差，但偏差已經很小了。 觀察空氣中測量的波速，我們發現幾種檢測方法的檢測結果都偏高。 一個重要原因是空氣中富含水蒸氣和其他雜質。 聲音在這種材料中的傳播速度高于在空氣中的傳播速度。 傳播速率很大，所以最終的檢測結果太大。 使用相位法測量的結果最接近真實值。 由于以這種方式觀察圖像，因此當圖像變為重疊時讀取讀數。 比較容易判斷圖像是否與直線重合，因此偏差會較小。
【思考問題】 1、換能器為什么需要在諧振頻率條件下測量波速？ 答：因為在諧振頻率處，反射面之間的信噪比達到最大值。 這樣，在示波器上觀察到的電壓信號的幅度是最大的，更容易觀察。 2. 聲波在兩個換能器之間產生共振必須滿足什么條件？ 答：1、兩個換能器的發射面和接收面相互平行。 2. 兩個換能器之間的距離為半波長的整數倍。 3. 列出超聲波應用的三個例子。 它們都利用了超聲波的這些特性嗎？ 答：比如超聲波定位系統、超聲波檢測、超聲波潔牙等。 它們利用了超聲波波長短、易于定向發射且易于反射的優點。 4、時差法檢測中，為什么共振或接收增益會影響波速計接收點的確定？ 答：因為當諧振或接收增益太大時，接收器會提前接收到信號，因此測量的時間會太小，導致最終估計的波速太大。 【個人觀點】1.我認為這種測量波速的實驗方法可以有更廣泛的好處。 對于前兩種方法，可以測量一些以波形式傳播的材料的速度。 如果儀器可以非常精確，就可以測量光速。 對于第三種方法，可以用來檢測光速。 在發射器和接收器處安裝平面鏡，可以記錄光來回傳播的時間。 發射器和接收器可以記錄光的往返次數，然后利用時間差計算光速。
