超声波测声速实验报告

实验报告

——大学物理仿真实验

学院：生命学院班级：生基硕姓名：廖崇兵学号：实验日期：2011年6月3日—9日

01

交报告日期：2011年6月10日

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−λ)

x

y2=Acos2π(ft+

叠加后合成波为：

y=(2Acos2π

x

x) λ

x

)cos2πft λ

λ

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…)； cos2π

xλ

=0的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：x=±（2n+1）

4

λ

(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：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

λx

变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𝐟𝐟。

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。

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

五、 数据记录及处理

1． 基础数据记录

谐振频率f0=

2． 驻波法测量声速

表1 驻波法测量声速数据

i 1 2 3 4 5 6 1（ i+6 icm） 7 8 9 10 11 12 1i+6（cm） λi= (1i+6-1i) /3（cm） 16λ的平均值：i（cm）

6i1λ的不确定度：

S(i16i)2＝（cm）

i(i1)因为，λi= (1i+6-1i) /3，Δ仪=0.02mm 所以，u233仪＝（cm）

S2u2（mm） 计算声速：

f354.50（m/s）

ff1%30.2 (kHz)

计算不确定度：

(f)2(f)23 (m/s)实验结果表示：υ=（354±3）m/s，Ev=%

3． 相位比较法测量声速

表2 相位比较法测量声速数据（相位变换2π） i 1 2 3 4 5 6 7 1i（cm） 10400 i+7 8 9 10 11 12 13 14 1i+7（cm） λi= (1i+7-1i)/7（cm） 谐振频率 f= 17λ的平均值：i（cm）

7i1λ的不确定度：

S(i17i)2＝（cm）

i(i1)因为，λi= (1i+7-1i) /7，Δ仪=0.02mm 所以，u273仪＝（cm）

S2u2（mm） 计算声速：

f353.31（m/s）

ff1%30.2 (kHz)

计算不确定度：

(f)2(f)23 (m/s)实验结果表示：υ=（353±3）m/s，B=%

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9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.

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。 2.

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。