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时间:2018-01-06
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1、大物仿真实验:超短波测量声速超声波测量声速实验报告——大学物理仿真实验学院:生命学院班级:生基硕01姓名:廖崇兵学号:10123011实验日期:2011年6月3日—9日交报告日期:2011年6月10日6大物仿真实验:超短波测量声速一、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。
2、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=fλ,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=Acos2πft-xλy2=Acos2πft+xλ叠加后合成波为:y=(2Acos2πxλ)cos2πftc
3、os2πxλ=±1的各点振幅最大,称为波腹,对应的位置:x=±nλ2(n=0,1,2,3…);cos2πxλ=0的各点振幅最小,称为波节,对应的位置:x=±(2n+1)λ4(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。6大物仿真实验:超短波测量声速1.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=2πxλ(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2p。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。一、实验步骤1.连接仪器。
4、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f0。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
5、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。6大物仿真实验:超短波测量声速李萨如图形图3Ф=0图4Ф=π图5Ф=π4图8Ф=π2图6Ф=π2图9Ф=7π4图7Ф=3π4图10Ф=2π6大物仿真实验:超短波测量声速一、数据记录及处理1.基础数据记录谐振频率f0=33.5kHz2.驻波法测量声速表1驻波法测量声速数据i1i(cm)i+61i+6(cm
6、)λi=(1i+6-1i)/3(cm)19.062712.2341.05729.576812.7761.067310.124913.3141.063410.6501013.8221.057511.1801114.3541.058611.7021214.8441.047λ的平均值:1.0582(cm)λ的不确定度:=0.002(cm)因为,λi=(1i+6-1i)/3,Δ仪=0.02mm所以,0.000544(cm)0.021(mm)计算声速:(m/s)计算不确定度:实验结果表示:υ=(354±3)m/s,Ev=0.8%3.相位比较法测量声速表2相位
7、比较法测量声速数据(相位变换2π)i1i(cm)i+71i+7(cm)λi=(1i+7-1i)/7(cm)谐振频率18.162815.9261.109f=32.0kHz29.282917.0501.1103104001018.2201.107411.5121119.2061.099512.6001220.2901.099613.7221321.4601.105714.8321422.5321.1006大物仿真实验:超短波测量声速λ的平均值:1.1041(cm)λ的不确定度:=0.002(cm)因为,λi=(1i+7-1i)/7,Δ仪=0.02mm所
8、以,0.000233(cm)0.020(mm)计算声速:(m/s)计算不确定度:实验结果表示:υ=(353±3)m/s,B
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