驻波法测量声速实验的系统误差分析

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1、第２５卷第５期大学物理实验Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．５２０１２年１０月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＯｃｔ．２０１２文章编号：１００７－２９３４（２０１２）０５－００８１－０３驻波法测量声速实验的系统误差分析张俊玲（中国人民武装警察部队学院，河北廊坊０６５０００）摘要：在驻波法测量声速的实验中，系统误差产生的主要原因是：声波在两端面间多次反射，入射波与反射波并非形成理想驻波；能量损耗以及回程差等。为此，在实验中应采取的措施是：选定压电换能器的反射面与接收面的距离后开始测量；准确判断测量点（极大值的位置）；以及改进仪器设备等。关键词：驻波法；声速测量；系统误差中图分类

2、号：Ｏ４－３３文献标志码：Ａ在驻波法测量声速的实验中，测得声波在空收器）Ｓ２（可移动端）上，由接收器转变成电信号气中的传播速度与理论值有较大偏差。这些偏差送给示波器。通过转动测微鼓轮，缓慢移动Ｓ２有一部分是来自操作人员不同的操作习惯而产生的位置，此时，示波器上将看到正弦波的振幅随的随机误差，更大的部分是来自实验装置、实验方Ｓ２位置的变化而变化。法、测量环境、观测者等因素而产生的系统误差，如声波在两端面间多次反射问题，入射波与反射波并非形成理想驻波；能量损耗以及回程差等。本文将讨论影响实验测量结果的系统误差来源及因素，同时给出了减小系统误差的处理策略。图１实验装置简图１．２测量方法１

3、实验简介根据实验室给出的压电陶瓷换能器的振动频率ｆ，将信号发生器的输出频率调至ｆ附近，缓慢根据波动理论，信号发生器发出的平面声波移动Ｓ２，当在示波器上看到正弦波首次出现振幅经介质到接收器，若接收面与发射面平行，声波在较大处，固定Ｓ２，再仔细微调信号发生器的输出接收面处就会被垂直反射，于是平面声波在两端频率，使荧光屏上图形振幅达到最大，此时，信号面间来回反射并叠加。当接收端面与发射端面间发生器的输出频率即为共振频率ｆ。在共振条件的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加的波就下，在发射器Ｓ１的声场中移动接收器Ｓ２，在示波形成驻波。此时相邻两波节（或波腹）间的距离等器上观察到波形产生极大（或

4、极小）的变化。当接于半个波长（λ／２）。据此求出声波波长，再结合声收器Ｓ２与声场共振时，示波器就显示一次信号极源频率即可算出声速。大。此时，每移动接收器Ｓ２的距离时，示波器上就再１．１测量装置次显示一次信号极大，相邻两个最大值之间的距离驻波法测量声速所用的实验仪器有：信号发就是半个波长λ／２。由此，可以测得声速ｖ＝ｆλ。生器、声速测定仪和示波器。整个实验装置简图如图１所示。信号发生器输出的电信号加载到声速测定仪２系统误差分析的压电晶体换能器（又称发射器）Ｓ１（固定端）上，［１］系统误差的主要来源：（１）仪器误差。由于使其因压电效应而产生超声波信号，发出的声波仪器本身的缺陷或没有按照

5、规定条件使用仪器而在空气中传播到达另一压电晶体换能器（又称接收稿日期：２０１２－０５－０４８２驻波法测量声速实验的系统误差分析造成的，如零点偏离、安装错误、元件老化等。（２）位置，鼓轮在转动时只能顺着一个方向转动。当接环境误差。实验条件不能达到理论公式所规定的收器信号的振幅达到最大时记录此时的位置，但要求，如温度、湿度、气压、电源等条件对实验条件是要判断是否达到最大值，必须是有比较才能判的偏离。（３）理论误差。测量所依据的理论公式本断，当后面的出现时才知道，前一位置应为最大身的近似，或测量方法所带来的误差等。（４）个人值，这样就会产生回程差。这是由实验者操作以及误差。由观测者本身生

6、理或心理特点造成的，如动仪器特性带来的误差，这种误差是不可能消除的，态滞后、读数有偏大或偏小的痼癖等。为此，笔者只是可以尽可能的减小。在认真分析实验装置以及测量方法的基础上，探讨了影响系统误差的主要因素：声波在两端面间３减小系统误差的策略多次反射问题，入射波与反射波并非形成理想驻波；能量损耗以及回程差等。针对以上系统误差的分析，可采取以下措施２．１声波在两端面间多次反射尽量减小系统误差，从而使测量更加精确。发射器发出的超声波在发射端面和接收端面间多次反射，以致在发射换能器与接收换能器之间有可能不是严格的驻波场，任意两相邻极大值的间距不等，即在不同位置测得的两相邻极大值间的距离λ／２

7、不同。如图２所示，相对强度（幅度）Ａ与两个换能器之间的距离Ｌ的关系。图３改进后实验装置简图（１）仪器方面：接收端面加一个游标尺，如图３所示，从游标尺上读取数据，这样可以消除回程差。（２）选定开始测量的距离。通过多次观察，确定压电换能器的反射面与接收面距离为某一合适值后开始测量，使传播到接收换能器反射面的声图２两端面的间距与相对强度（幅度）的关系图波为标准的简谐平面波，从而经反射叠加形成标准驻波，这样测得的λ／２为常数，与测量位置无在图２中发现，并非只有在半波长的整数倍