超声波测声速实验报告(2400字)

发表于:2018.5.3来自:www.ttfanwen.com字数:2400 手机看范文

超声波测量声速

实验报告

学院:生命学院班级:生基硕姓名:廖崇兵学号:——大学物理仿真实验

01

实验日期:20xx年x月x日—9日交报告日期:20xx年x月x日

1

10123011

一、 实验目的

1. 了解超声波的产生、发射和接收的方法; 2. 用驻波法和相位比较法测声速。

二、 实验仪器

1. 超声声速测定仪:主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。 2. 函数信号发生器:提供一定频率的信号,使之等于系统的谐振频率。

3. 示波器:示波器的x, y轴输入各接一个换能器,改变两个换能器之间的距离会影响

示波器上的李萨如图形。并由此可测得当前频率下声波的波长,结合频率,可以求得空气中的声速。

三、 实验原理

由波动理论可知,波速与波长、频率有如下关系:v = f λ,只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器,信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法(共振干涉法)和行波法(相位比较法)测量。下图是超声波测声速实验装置图。

图1 实验装置和接线图

1.

驻波法测波长

由声源发出的平面波经前方的平面反射后,入射波与发射波叠加,它们波动方程分别是:

y1=Acos2π ft?

λx

y2=Acos2π ft+

叠加后合成波为:

x

y=(2Acos2π)cos2πft

cos2πλ=±1的各点振幅最大,称为波腹,对应的位置:x=±n2 (n=0,1,2,3…); cos2πλ=0的各点振幅最小,称为波节,对应的位置:x=±(2n+1)4 (n=0,1,2,3…)。 因此,只要测得相邻两波腹(或波节)的位置Xn、Xn+1即可得波长。

2

x

λ

x

λ

x

2. 相位比较法测波长

从换能器S1发出的超声波到达接收器S2,所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差:φ=2π (其中λ是波长,x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时,相位差就改变

λx

2p。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

四、 实验步骤

1.

连接仪器。

按照图1连接好仪器,使用前开机预热10min,自动工作在连续被方式,选择的介质为空气,观察S1和S2是否平行。

图 2 接线截图

2.

测量信号源的输出频率????。

将示波器调整为y-t模式,观察到正弦信号的波形,使S1和S2间的距离约为5cm;调节信号发射强度,波幅为5V,在350(100MHz)附近调节频率,同时观察波形,使信号幅度最大,此时频率为329(100MHz),即为本系统的谐振频率。

3. 驻波法测波长和声速。

向右缓慢移动S2,观察示波器正弦信号的变化,选择信号最大位置开始读数,记为xi,取i=10,用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率f0计算声波波速和误差。

4. 用相位比较法测波长和声速。

将示波器调整为X-Y工作方式。观察示波器出现的李萨如图形,缓慢移动S2,当重复出现该图形时,说明相位变化了2π,即S1和S2之间移动了一个波长。沿右连续测量10个周期,用逐差法处理数据,求出波长、声速及误差。

3

李萨如图形

图3 Ф=0 图5 Ф=π

4 图6 Ф=π

2 图7 Ф=3π

4

图4 Ф=π

图8 Ф=π

2

图9 Ф=7π

4

图10 Ф=2π

4

五、 数据记录及处理

1. 基础数据记录

谐振频率f0=33.5kHz

2. 驻波法测量声速

的平均值:?6?λ?i?1.0582(cm)

i?1

λ的不确定度:

6

(?

i

?)2

Si?1

??

?i(i?1)=0.002(cm)

因为,λi= (1i+6-1i) /3,Δ仪=0.02mm 所以,u2??

33

?仪=0.000544(cm)

?2??S??u2?

?0.021(mm) 计算声速:

??f??354.50(m/s)

?f?1%计算不确定度:

f?

?0.2 (kHz)

???(f?2?)?(??f)2?3 (m/s)

实验结果表示:υ=(354±3)m/s,Ev=0.8%

3. 相位比较法测量声速

5

17

λ的平均值:???i?1.1041(cm)

7i?1

λ的不确定度:

S??

?(?

i?1

7

i

?)2

=0.002(cm)

i(i?1)273

因为,λi= (1i+7-1i) /7,Δ仪=0.02mm 所以,u??

?仪=0.000233(cm)

???S?2?u2?0.020(mm) ?

计算声速:

??f??353.31(m/s)

计算不确定度:

?f?

f?1%?0.2 (kHz)

???(f??)2?(??f)2?3 (m/s)

实验结果表示:υ=(353±3)m/s,B=0.8%

六、 误差分析

1. 由于使用软件虚拟操作,应该不会出现一些读数的误差,操作上也应该没有什么问

题;

2. 由于6月x日无法登陆大物实验中心和大厅,所以数据并没有从软件上得到,我只

有参考了一些网络上的数据。

七、 实验建议

1. 2.

虚拟实验的软件有很多地方还可以优化一下,如添加一个最小化按钮,调整一下,使之支持64位的操作系统等。

实验的原理可以写得详细一些,由于有些知识没有学习,很大部分的实验原理都看不懂,知识照着实验指导上的步骤去做而已。

八、 思考题

1. 准确测量谐振频率的目的是什么?

答:在谐振频率时,波形最稳定,能够观察读数。准确测量数值,以便于调整。

2. 若固定两换能传感器之间的距离,改变频率,能否测量出声速?为什么?

能。因为v = f λ,已知频率f,而且波长λ也能通过示波器图像读出,所以可以用驻波法测量出声速。

6




第二篇:超声波测声速实验报告 800字

专业班级:材料91 姓名:陈旭 09021010

一、实验目的

(1)、了解超声波的发射和接收方法。

(2)、加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。

(3)、掌握用干涉法和相位法测声速。

二、实验原理

由波动理论可知,波速与波长、频率有如下关系:v = f λ,只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器,信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法(共装置图。

波与发射波叠加,它们波动方程分别是:

叠加后合成波为:

的各点振幅最大,称为波腹,对应的位置:

( n =0,1,2,3??)

的各点振幅最小,称为波节,对应的位置:

( n =0,1,2,3??)

因此只要测得相邻两波腹(或波节)的位置Xn、Xn-1即可得波长。 相位比较法测波长:从换能器S1发出的超声波到达接收器S2,所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差:φ=2∏x/λ,其中λ是波长,x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时,相位差就改变2∏。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

三、实验仪器

超声声速测定仪:主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。 函数信号发生器:提供一定频率的信号,使之等于系统的谐振频率。 示波器:示波器的x, y轴输入各接一个换能器,改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的李萨如图形。并由此可测得当前频率下声波的波长,结合频率,可以求得空气中的声速。

四、实验内容

1.调整仪器使系统处于最佳工作状态。

2.用驻波法(共振干涉法)测波长和声速。

3.用相位比较法测波长和声速。

五、实验数据及处理:

f=34kHz;

Vp-p=5V;

L=3.976cm;

六、实验结论:

波长λ=1.0612cm;

由此声速经测算为v=(354±3)m/s;

U=0.8%

七、思考题:

1.固定距离,改变频率,以求声速。是否可行?

答:不行,由“v = f λ”,距离一定后使得波长无法计算。

2.各种气体中的声速是否相同?为什么?

答:不同,因为不同气体的密度不同,声波在不同介质中波长改变,根据公式可得结论。


第三篇:超声波测声速 2500字

物理仿真实验报告

班级

姓名:

学号:

实验名称:超声波测声速

一 实验目的

1. 了解超声波的发射和接收方法。

2. 加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。

3. 掌握用驻波法和相位法测声速。

二 实验仪器

超声声速测定仪、函数信号发生器和示波器

三 实验原理

由波动理论可知,波速与波长、频率有如下关系:v = f λ,只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器,信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法(共振干涉法)和行波法(相位比较法)测量。下图是超声波测声速实验装置图。

超声波测声速

(1)驻波法测波长

由声源发出的平面波经前方的平面反射后,入射波与发射波叠加,它们波动 方程分别是:

超声波测声速

叠加后合成波为:

各点振幅最大,称为波腹,对应的位置:

??????????????

(n =0,1,2,3??)

各点振幅最小,称为波节,对应的位置:

???????????????????????????????????????????????????????( n =0,1,2,3??)

因此只要测得相邻两波腹(或波节)的位置Xn、Xn-1即可得波长。

(2)相位比较法测波长

从换能器S1发出的超声波到达接收器S2,所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差:

其中?是波长,x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时,相位差就改变2?。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

四 实验内容及步骤

1.接线

首先选择测量的方法,然后开始连接测量电路,如下页图7所示。在示波器的X接口, 示波器的Y接口, 示波器的同步接口,信号发生器的输出端口, 超声速测定仪的左磁鼓, 超声速测定仪的右磁鼓和超声速测定仪上标上红线的接口处可以连线。连线时鼠标选中上述接口,然后按住不放,拖到需要连接的另一接口后松开鼠标。如果连线的两端已有连线,则此操作将去掉连线。如果连接时,连线两端尚未连接,则此操作在两接口间连上接线。

超声波测声速

超声波测声速

超声波测声速

超声波测声速

线路连接好后,鼠标右键单击,弹出主菜单,选中接线检查。若连线正确,就可以正式开始实验,否则需要继续连线。

2.调整仪器

通过接线检查后,双击各仪器弹出其放大窗口,调整该仪器。

(1)示波器的使用与调整

使用示波器时候,请先调整好示波器的聚焦。然后鼠标单击示波器的输入信号的接口,把信号输入示波器。接着调节通道1,2的幅度微调,扫描信号的时基微调。最后选择合适的垂直方式选择开关,触发源选择开关,内触发源选择开关,Auto-Norm-X-Y开关,在示波器上显示出需要观察的信号波形。输入信道的信号是由实验线路的连接决定的。

(2)信号发生器的调整

根据实验的要求调整信号发生器,产生频率大概在35KHz左右,幅度为5V的一个正弦信号。由于本实验测声速的方法需要通过换能器(压电陶瓷)共振把电信号转为声信号,然后再转为电信号进行的,所以在开始测量前需要调节信号的频率为换能器的共振频率。在寻找共振频率时,通过调节信号发生器的微调旋钮,观察示波器上信号幅度是否为最大来逐步寻找的。

(3) 超声速测定仪的使用

超声速测定仪是由两个换能器和游标卡尺组成的,

在超声速测定仪中,左边的换能器是固定的,右边的换能器是与游标卡尺的滑动部分连接在一起的。这样,左右换能器间的距离就可以通过游标卡尺来测量出来,在上图的下半部分是一个放大的游标卡尺的读数图。

当把鼠标移动到右边的换能器上后,会出现“??”标志,表明此时可以移动。按下鼠标左键,向左移动,按下右键,向右移动。移动的幅度可以通过“调节状态”的“粗调”和“细调”来控制。

3. 寻找到超声波的频率(就是换能器的共振频率)后,只要测量到信号的波长就可以求得声速。我们采用驻波法和相位比较法来测量信号波长:

(1)驻波法

信号发生器产生的信号通过超声速测定仪后,会在两个换能器件之间产生驻波。改变换能器之间的距离(移动右边的换能器)时,在接收端(把声信号转为

电信号的换能器)的信号振幅会相应改变。当换能器之间的距离为信号波长的一半时,接受端信号振幅为最大值。

实验中调节示波器的垂直方式选择开关,触发源选择开关,内触发源选择开关,Auto-Norm-X-Y开关,使屏幕上显示出接受端信号,图见前面“调整仪器”中“示波器的使用与调整”部分。然后,一边移动右边换能器,一边观察示波器上的信号幅度。当信号幅度为最大值时,通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。两个相邻的信号幅度最大时换能器间的距离差就是波长的一半。 (2)相位比较法

由于两个换能器间有距离,这样在两个换能器处的信号有一相位差。当换能器间距离改变一个波长时,相位差改变2?。

实验中调节示波器的垂直方式选择开关,触发源选择开关,内触发源选择开关,Auto-Norm-X-Y开关,使屏幕上显示出两个换能器端信号产生的李撒如图 。然后,一边移动右边换能器,一边观察示波器上的李撒如图。当观察到两个信号的相位差改变2?时,通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。

五 实验数据及处理

超声波的频率为:33.7千赫兹 (1)驻波法

超声波测声速

用逐差法测得波长为

??

(3.54?1.94)?(3.01?1.44)?(2.48?0.98)

3

?2?1cm?0.01m

声波波速为:v?33.7?1000?0.01?337m/s

不确定度:max{???i}=0.067 (i=1,2,3) (2)相位法

超声波测声速

用逐差法测得波长为

??(6.04?3.01)?(5.02?2.03)?(3.95?1.05)

3?3?0.991cm?0.00991m

声波波长为:v?33.7?1000?0.00991?334m/s

不确定度:max{???i}=0.033

六 思考题

1.固定距离,改变频率,以求声速。是否可行? 答:不可以,频率改变时,波速也随之改变,所以改变频率测波速无任何意义。

2.各种气体中的声速是否相同?为什么?

答:不一样,声音是一种波,受气体的阻力而衰减,不同气体的密度不同衰减当然不一样了所以传播速度不一样。

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