为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划不同介质中声速的测定实验报告【实验目的】1了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。2学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。3通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。【实验原理】在波动过程中波速V、波长?和频率f之间存在着下列关系：V?f?，实验中可通过测定声波的波长?和频率f来求得声速V。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。声波传播的距离L与传播的时间t存在下列关系：L?V?t，只要测出L和t就可测出声波传播的速度V，这就是时差法测量声速的原理。1共振干涉法测量声速的原理：当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。对于波束1：时，叠加后的波形成波束3：F3?2A?cos?2?X/?cos?t，这里?为声波的角频率，t为经过的时间，X为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按F1?A?cos(?t?2?X/?)、波束2：F2?A?cos?t?2?X/?，当它们相交会cos?2?X/?变化。如图所示。压电陶瓷换能器S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器S2则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。声源S1发出的声波，经介质传播到S2，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。移动S2位置，你从示波器显示上会发现当S2在某些位置时振幅有最小值或最大值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间的距离均为?/2。为测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓图共振干涉法原理图慢的改变S1和S2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间S2移动过的距离亦为?/2。超声换能器S2至S1之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声波测试仪信号源频率显示窗口直接读出。在连续多次测量相隔半波长的S2的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。2相位法测量原理声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但它和声源的振动相位差?不随时间变化。设声源方程为：F1?F01?cos?t距声源X处S2接收到的振动为：F2?F02?cos?(t?X)Y两处振动的相位差：?XY当把S1和S2的信号分别输入到示波器X轴和Y轴，那么当X?n?即?2n?时，合振动为一斜率为正的直线，当X?2n?1?/2，即?2n?1?时，合振动为一斜率为负的直线，当X为其它值时，合成振动为椭圆。图接收信号与发射信号形成李萨如图3时差法测量原理以上二种方法测声速，是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波的相位差，原理是正确的，但存在读数误差。较精确测量声速的方法是采用声波时差法，时差法在工程中得到了广泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过时间t后，到达距离为L处的接收换能器，那么可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度，速度为V?L/t。图相位法原理图【实验仪器】实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的SV6型声速测量组合仪及SV5型声速测定专用信号源各一台，其外形结构见图。图SV6型声速测量组合仪实物照片组合仪主要由储液槽、传动机构、数显标尺、两副压电换能器等组成。储液槽中的压电换能器供测量液体声速用，另一副换能器供测量空气及固体声速用。作为发射超声波用的换能器S1固定在储液槽的左边，另一只接收超声波用的接收换能器S2装在可移动滑块上。上下两只换能器的相对位移通过传动机构同步行进，并由数显表头显示位移的距离。S1发射换能器超声波的正弦电压信号由SV5声速测定专用信号源供给，换能器S2把接收到的超声波声压转换成电压信号，用示波器观察；时差法测量时则还要接到专用信号源进行时间测量，测得的时间值具有保持功能。实验时用户需自备示波器一台；300mm游标卡尺一把，用于测量固体棒的长度。图共振干涉法、相位法、时差法测量连线图【实验内容】1.声速测量系统的连接声速测量时，SV5专用信号源、SV6测试仪、示波器之间，连接方法见图。2.谐振频率的调节根据测量要求初步调节好示波器。将专用信号源输出的正弦信号频率调节到换能器的谐振频率，以使换能器发射出较强的超声波，能较好地进行声能与电能的相互转换，以得到较好的实验效果，方法如下：将专用信号源的“发射波形”端接至示波器，调节示波器，能清楚地观察到同步的正弦波信号；专用信号源的上“发射强度”旋钮，使其输出电压在20VP?P左右，然后将换能器的接收信号接至示波器，调整信号频率?25kHz45kHz?，观察接收波的电压幅度变化，在某一频率点处电压幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，记录此频率fi。改变S1、S2的距离，使示波器的正弦波振幅最大，再次调节正弦信号频率，直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值。共测5次取平均频率f。3.共振干涉法、相位法、时差法测量声速的步骤共振干涉法测量波长将测试方法设置到连续方式。按前面实验内容二的方法，确定最佳工作频率。观察示波器，找到接收波形的最大值，记录幅度为最大时的距离，由数显尺上直接读出或在机械刻度上读出；记下S2位置X0。然后，向着同方向转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，逐个记下振幅最大的X1，X2，?X9共10个点，单次测量的波长?i?2?Xi?Xi?1。用逐差法处理这十个数据，即可得到波长?。相位比较法测量波长将测试方法设置到连续波方式。确定最佳工作频率，单踪示波器接收波接到“Y”，发射波接到“EXT”外触发端；双踪示波器接收波接到“CH1”，发射波接到“CH2”，打到“X?Y”显示方式，适当调节示波器，出现李萨如图形。转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记下S2的位置X0，再向前或者向后移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器S2的振动波形发生了2?相移。依次记下示波器屏上斜率负、正变化的直线出现的对应位置X1，X2，?X9。单次波长?i?2?Xi?Xi?1。多次测定用逐差法处理数据，即可得到波长?。实验报告声速的测量【实验目的】1.学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速2.学会用逐差法进行数据处理；3.了解声速与介质参数的关系。【实验原理】由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。本实验采用的是压电陶瓷制成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。声波的传播速度与其频率和波长的关系为：v?f(1)由(1)式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。同样，传播速度亦可用v?L/t(2)表示，若测得声波传播所经过的距离L和传播时间t，也可获得声速。1.共振干涉法实验装置如图1所示，图中S1和S2为压电晶体换能器，S1作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；S2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当S1和S2的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即L=n，n=0，1，2，(3)2时，S1发出的声波与其反射声波的相位在S1处差2n(n=1，2)，因此形成共振。因为接收器S2的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。图中各极大之间的距离均为/2，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应的接收器S2的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。2.相位比较法波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍。利用这个原理，可以精确的测量波长。实验装置如图1所示，沿波的传播方向移动接收器S2，接收到的信号再次与发射器的位相相同时，一国的距离等于与声波的波长。同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号，它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信号的位相差有关，当两信号之间的位相差为0或时，椭圆变成倾斜的直线。3.时差法用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。由信号源提供一个脉冲信号经S1发出一个脉冲波，经过一段距离的传播后，该脉冲信号被S2接收，再将该信号返回信号源，经信号源内部线路分析、比较处理后输出脉冲信号在S1、S2之间的传播时间t，传播距离L可以从游标卡尺上读出，采用公式(2)即可计算出声速。4.逐差法处理数据在本实验中，若用游标卡尺测出2n个极大值的位置，并依次算出每经过n个/2的距离为?=?+?/?=1?。如测不到20个极大值，则可少测几个(一定是偶数)，用这样就很容易计算出类似方法计算即可。【实验数据记录、实验结果计算】实验时室温为16，空气中声速的理论值为?=?01+=?/?1共振干涉法频率f=#include#includeusingnamespacestd;constintn=10;constdoublef=;constdoubleL2*n=,;doubleLMD=0;intmain()for(inti=0;iusingnamespacestd;constintn=5;constdoublef=;constdoubleL2*n=,;doubleLMD=0;intmain()for(inti=0;in;i+)LMD+=(Ln+i-Li)/n/n;printf(v=%.3lfn,LMD*f);system(pause);return0;此程序运行结果为：v=m/s3时差法测量空气中声速计算机作图如下：由于第二组数据，存在较大误差，因此将其去掉。计算机计算得v=m/s实验报告声速的测定-驻波法测声速XX3010XX2吴雨桥13级弘毅班物理科学与技术学院本实验利用超声波采用驻波法来测定空气中的声速。【实