聲速測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

　姓名: : 陳巖松

　學(xué)號 :5501215012

　班級: : 本碩實(shí)驗(yàn)班 1 151 班

　實(shí)驗(yàn)名稱

　聲速的測量

　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

　1. 用駐波法與相位法測聲速。

　2. 學(xué)會(huì)用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　3. 了解聲波在空氣中的傳播速度與氣體狀態(tài)參量的關(guān)系。

　4. 了解壓電換能器的功能與培養(yǎng)綜合使用儀器的功能 。

　實(shí)驗(yàn)原理

　聲速 v 、聲源振動(dòng)頻率 f 與波長 ? 之間的關(guān)系就是

　? f v ?

　 所以只要測得聲波的頻率 f 與波長 ? , , 就可以求得聲速 v 。其中聲波頻率頻 率計(jì)測得。本實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)就是測量聲波波長 ? , , 用駐波法與相位法測量。

　1. 相位法

　波就是振動(dòng)狀態(tài)的傳播, , 也可以說就是相位的傳播。在波的傳播方向上任何兩點(diǎn), , 如果其振動(dòng)狀態(tài)相同或者其相位差為? 2 的整數(shù)倍, , 這兩點(diǎn)的距離等于波長的整數(shù)倍, , 即 ? n l ? ( ( n 為一整數(shù)) ) 。

　若超聲波發(fā)出的聲波就是平面波, , 當(dāng)接收器面垂直于波的傳播方向時(shí), , 其端面上各點(diǎn)都具有相同的相位。沿傳播方向移動(dòng)接收器時(shí), , 總可以找到一個(gè)位置使得接收到的信號與發(fā)射器的電信號同相。繼續(xù)移動(dòng)接收器, , 直到找到的信號再一次與發(fā)射器的激勵(lì)電信號同相時(shí), , 移過的這段距離就等于聲波的波長。

　實(shí)際操作時(shí), , 我們用的就是利用李薩如圖形尋找同相或反相時(shí)橢圓退化成直線的點(diǎn)。

　2. 駐波法

　按照駐波動(dòng)理論, , 超聲波發(fā)生器發(fā)出的平面波經(jīng)介質(zhì)到接收器, , 若接收面與發(fā)射面平行, , 聲波在接收面就會(huì)被垂直反射, , 于就是平面聲波在兩端面間來回反射并疊加。當(dāng)接收端面與發(fā)射頭間的距離恰好等于半波長的整數(shù)倍時(shí), , 疊加后的波就形成駐 波。此時(shí)相鄰兩波節(jié)間的距離等于半個(gè)波長2?。當(dāng)發(fā)生器的激勵(lì)頻率等于駐波系統(tǒng)的固有頻率( ( 本實(shí)驗(yàn)中壓電陶瓷的固有頻率) ) 時(shí), , 會(huì)產(chǎn)生駐波共振波腹處的振幅達(dá)到最大

　值。

　聲波就是一種縱波。由縱波的性質(zhì)知, , 駐波波節(jié)處的聲壓最大。當(dāng)發(fā)生共振時(shí), , 接收端面處為一波節(jié), , 接收到的聲壓最大, ,轉(zhuǎn)換成的電信號也最強(qiáng)。移動(dòng)接收器到某個(gè)共振位置時(shí), , 示波器上又會(huì)出現(xiàn)最強(qiáng)的信號, , 繼續(xù)移動(dòng)到某個(gè)共振位置, , 則兩次共振位置之間的距離即為2?。

　實(shí)驗(yàn)儀器

　聲速測量儀、示波器、信號發(fā)生器。

　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

　1. 駐波法測聲速

?。? 1 ）

　如圖所示連接好電路, , 讓1S 與2S 靠近并留有適當(dāng)?shù)目障? , 使兩端面平行且與游標(biāo)尺正交。

?。? 2 ）

　根據(jù)實(shí)驗(yàn)給出的壓電換能器的振動(dòng)頻率 f , , 將信號發(fā)生器的輸出頻率調(diào)至 f 附近, , 緩慢移動(dòng)2S , , 當(dāng)在示波器上瞧到正弦波首次出現(xiàn)振 幅較大處, , 固定2S , , 在仔細(xì)微調(diào)信號發(fā)生器的輸出頻率, , 使熒光屏上圖形振幅達(dá)到最大, , 讀出共振頻率 f 。

　（3 3 ）

　在共振條件下, , 將2S 移近1S , , 在緩慢移開2S , , 當(dāng)示波器上出現(xiàn)振幅最大時(shí), , 記下2S 的位置0x

　 （4 4 ）

　由近及遠(yuǎn)移動(dòng)2S , , 逐次記下各振幅最大時(shí)2S 的位置, , 連續(xù)測 0 10 個(gè)數(shù)據(jù), 3 2 1, , x x x …10x

　 （5 5 ）

　用逐差法計(jì)算出波長的平均值。

　2. 用相位法測聲速

　(1) 調(diào)節(jié)示波器使, , 將“秒/ / 格”旋鈕旋至 Y X ? 利用李薩如圖形觀察發(fā)射波與接收波的相位差, , 找出同相點(diǎn)。

　(2) 在共振條件下, , 使2S 靠近1S , , 然后慢慢移開2S , , 當(dāng)示波器上出現(xiàn)?45 傾斜線時(shí), , 微調(diào)游標(biāo)卡尺上的微調(diào)螺絲, , 使圖形穩(wěn)定, , 記下2S 的位置0x?

?。? 3 ）

　繼續(xù)緩慢移開2S , , 依次記下 10 個(gè)示波器上李薩如圖形為?45 直線時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù) , ,2 1x x ? ? …10x?

?。? 4 ）

　用逐差法算出聲波波長的平均值。

　數(shù)據(jù)處理及記錄

　共振頻率 f =37 、 613kHz

　1. 駐波法

　數(shù)據(jù)記錄如下( ( 單位 :mm):

　0x

　 1x

　 2x

　 3x

　 4x

　 89 、 068

　93 、 198

　97 、 976

　102 、 679

　107 、 185

　5x

　 6x

　 7x

　 8x

　 9x

　 10x

　 111、 、 756

　116 、 589

　121、 、 208

　125、 、 822

　130、 、 357

　135、 、 019

　由上表可得下表( ( 其中i i ix x x ? ? ??5, , 25???iix?

　 單位 :cm)

　1x ?

　 2x ?

　 3x ?

　 4x ?

　 5x ?

　 23 、 391

　23 、 232

　23 、 143

　23 、 172

　23 、 263

　1?

　 2?

　 3?

　 4?

　 5?

　 9 9 、 3564

　9 9 、 2928

　9 9 、 2572

　9 9 、 2688

　9 9 、 3052

　下面用逐差法求聲波波長

　x ? = =25) ( ) ( ) (5 10 2 7 1 6x x x x x x ? ? ? ? ? ? ?

　= = mm25) 756 . 111 357 . 130 ( ) 976 . 97 208 . 121 ( ) 198 . 93 589 . 116 ( ? ? ? ? ? ? ?

　=4 、 648 mm

　則波長 ? = = x ? 2 =9 、 296 mm

　 ? f v ? = = s m s m / 7 . 349 / 10 296 . 9 10 613 . 373 3? ? ? ??

　下面計(jì)算聲波速度的不確定度

　先計(jì)算 ? 的不確定度, ,

　5 1 5) (95 . 0512tkkA???? ???? ?=0 、 0466mm

　B? =0 、 01mm

　從而2 2B Au ? ? ? ??=0 、 0476mm, ?fu 0 0 、 01kHz

　所以% 5 005 . 0 ) ( )1( ) ( )1() ( )ln( ) ( )ln(2 2 2 22 2 2 2? ? ? ???????????u ufuvufvEff v

　求出

　s m E v uv v/ 748 . 1 % 5 . 0 653 . 349 ? ? ? ?

　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為????? ?% 5 . 0/ ) 7 . 1 7 . 349 (vEs m v

　2 2 、相位法

　數(shù)據(jù)記錄( ( 單位 :mm)

　0x?

　1x?

　2x?

　3x?

　4x?

　5x?

　138、 、 942

　148、 、 180

　157、 、 406

　166、 、 548

　175、 、 821

　184、 、 903

　6x?

　7x?

　8x?

　9x?

　10x?

　194、 、 902

　203、 、 355

　212、 、 676

　222、 、 072

　231、 、 213

　從而得到下表( (i i ix x x ? ? ? ? ? ??5

　, ,5iix??? ? 單位 :mm)

　1x??

　 2x??

　 3x??

　 4x??

　 5x??

　 46 、 722

　45 、 895

　46 、 128

　46 、 251

　46 、 310

　1?

　 2?

　 3?

　 4?

　 5?

　 9 9 、 344

　9 9 、 179

　9 9 、 226

　9 9 、 250

　9 9 、 262

　 x?? ? ? =25) ( ) ( ) (5 10 2 7 1 6x x x x x x ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?=9、252mm 則 s m s m f v / 9 . 347 / 10 252 . 9 10 613 . 373 3? ? ? ? ? ???

　下面計(jì)算聲波速度的不確定度

　先計(jì)算 ? 的不確定度, ,

　5 1 5) (95 . 0512tkkA???? ???? ?=0 、 0729mm

　B? =0 、 01mm

　從而2 2B Au ? ? ? ??=0 、 0736mm, ?fu 0 0 、 01kHz

　所以% 7 007 . 0 ) ( )1( ) ( )1() ( )ln( ) ( )ln(2 2 2 22 2 2 2? ? ? ???????????u ufuvufvEff v

　求出

　s m E v uv v/ 4 . 2 % 7 . 0 9 . 347 ? ? ? ?

　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為????? ?% 7 . 0/ ) 4 . 2 9 . 347 (vEs m v

　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　及小結(jié)

　1. 駐波法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示為

　????? ?% 5 . 0/ ) 7 . 1 7 . 349 (vEs m v

　2. 相位法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示為

　????? ?% 7 . 0/ ) 4 . 2 9 . 347 (vEs m v

　誤差分析: :

?。? 1 ）

　發(fā)射換能器與接受換能器之間可能不就是嚴(yán)格的駐波

　場

?。? 2 ）

　儀器的螺距誤差可能存在

?。? 3 ）

　示波器上波形線條較粗, , 判斷振幅最大有視覺誤差

?。? 4 ）

　觀察李薩如圖形時(shí), , 并不能十分準(zhǔn)確控制每一次圖形變

　成直線時(shí)都就是嚴(yán)格的直線

　（5 5 ）

　調(diào)節(jié)超聲波共振頻率會(huì)有一定誤差。

　實(shí)驗(yàn)的收獲、總結(jié)、體會(huì)

　1. 這次的實(shí)驗(yàn)讓我有耳目一新的感覺, , 因?yàn)榇_實(shí)就是第一次一開始完全靠自己去完成一個(gè)實(shí)驗(yàn), , 當(dāng)時(shí)做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候覺得確實(shí)挺難的, , 很多術(shù)語概念不熟悉, , 但就是正就是因?yàn)檫@樣的一種新的做實(shí)驗(yàn)的模式, , 才體現(xiàn)了大學(xué)生要學(xué)會(huì)自主 學(xué)習(xí)、自主完成任務(wù)的意識(shí)。盡管實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)小時(shí)里面并不能夠?qū)⑦@個(gè)實(shí)驗(yàn)所涵蓋的所有有關(guān)知識(shí)都學(xué)會(huì), , 但就是卻能夠?qū)@個(gè)實(shí)驗(yàn)有了深刻的印象, , 而且在后來老師總結(jié)后, , 也能真正理解實(shí)驗(yàn)原理了, , 并不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。

　2. 其次, , 我覺得這個(gè)實(shí)驗(yàn)測聲速的方法還有其她用處, , 不僅僅就是測得聲波的速度, , 還可以測得其她一些以波的形式傳播的物質(zhì)的速度。比如假設(shè)實(shí)驗(yàn)儀器夠精密, , 以此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方

　法, , 利用光具有波的性質(zhì), , 就是可以測出光速的。

　 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

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