物理仿真实验实验报告

大学实验报告

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实验名称：超声波测声速

一、实验目的：

1.了解超声波的产生、发射、和接收方法；

2.用驻波法、相位比较法测量声速。

二、实验仪器：

SV-DH系列声速测试仪，示波器，声速测试仪信号源。

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。

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：

叠加后合成波为：

振幅最大的各点称为波腹，其对应位置：

振幅最小的各点称为波节，其对应位置：

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：。因为x改变一个波长时，相位差就改变2π。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

四、实验内容

1．接线

2．调整仪器

（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

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。

3．实验内容

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2p。

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(见图11)。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、注意事项：

1．确保换能器S1和S2端面的平行。

2．信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率f0保持一致。?

六、实验经过及数据记录：

（1）驻波法测声速

连线如图

调节各仪器到如下图所示状态（所示波峰峰值最大）：

读数：3.98mm ；

再调节声速测试仪，使所示波峰峰值重新达到最大

读数：9.28mm ；

以此类推，读出多组数据，记录如下所示:

14.36mm

19.54mm

24.88mm

29.98mm

35.28mm

40.42mm

45.66mm

50.74mm

55.94mm

61.12mm

66.36mm

71.56mm

76.82mm

81.98mm

87.14mm

92.34mm

97.66mm

102.76mm

108.04mm

113.12mm

（2）相位比较法

连线如图

调节各仪器到如下图所示状态：

读数：9.20mm ；

再调节声速测试仪，使所示波型与前一次相同：

读数：19.62mm ；

以此类推，读出多组数据，记录如下:

30.00mm

40.42mm

50.82mm

61.18mm

71.62mm

82.00mm

92.42mm

102.82mm

113.18mm

123.58mm

七、数据处理：

（1）驻波法

? SKIPIF 1 < 0 (3.98mm-9.28mm-14.36mm-19.54mm-24.88mm-29.98mm-35.28mm-40.42mm-45.66mm-50.74mm-55.94mm+61.12mm+66.36mm+71.56mm+76.82mm+81.98mm+87.14mm+92.34mm+97.66mm +102.76mm+108.04mm +113.12mm）/121=5.20mm

SKIPIF 1 < 0

(2)相位比较法

(9.20mm-19.62mm-30.00mm-40.42mm-50.82mm-61.18mm+71.62mm+82.00mm +92.42mm+102.82mm+113.18mm +123.58mm) /36= 10.40mm

SKIPIF 1 < 0

八、实验总结（包括误差分析、结论、建议等）

结论：通过超声波之间的干涉，可以通过测量和计算得到声速的值。

误差分析： SKIPIF 1 < 0 (设室温为25摄氏度。)

百分误差 SKIPIF 1 < 0 ）/346.28=5.11%

误差可能的原因：

1、在实验进行的过程中，每次依照所示波调节声速测试仪时，都只能靠肉眼察，所以无法准确调到适当位置，存在较大误差。

2、声速测试仪信号源输出的波形可能不是我们想象的那么精确，导致最后所测声速偏大。

建议：多做几次，求平均值。

九、思考题

1．固定距离，改变频率，以求声速。是否可行？

答：可行。

在距离l一定时，均匀地改变频率，使所示波峰峰值达到最大亦可得声速。

2．各种气体中的声速是否相同？为什么？

答：不同。我们知道通常情况下气体声速 SKIPIF 1 < 0 ,不同的气体具有不同的分子量和气体密度，声波的传播速度不同。