超声声速的测定11. 掌握用驻波法和相位比较法测量空气中的声速掌握用驻波法和相位比较法测量空气中的声速 2.加深对驻波和振动合成理论知识的理解，了解加深对驻波和振动合成理论知识的理解，了解超声压电换能器的结构和原理超声压电换能器的结构和原理3.进一步掌握信号源和示波器的使用，培养综合进一步掌握信号源和示波器的使用，培养综合使用仪器能力使用仪器能力实验目的与要求2一、一、 共振干涉法（驻波法）共振干涉法（驻波法）S1发射S2反射干涉而成驻波LLp波腹波节S2表面声压与其位置的关系实 验 原 理3n n当换能器当换能器S S1 1与与S S2 2的表面平行时，由换能器的表面平行时，由换能器S S1 1的震动产生的的震动产生的超声波在超声波在S S1 1、S S2 2两表面之间形成驻波，在接收换能器两表面之间形成驻波，在接收换能器S S2 2处处是振幅的波节位置（理论推导）、声压的波腹位置，即该是振幅的波节位置（理论推导）、声压的波腹位置，即该处位移为零，声压最大。当处位移为零，声压最大。当S S1 1、S S2 2的间距满足一定条件时，的间距满足一定条件时，出现稳定的驻波现象，此时接收器出现稳定的驻波现象，此时接收器S S2 2表面的声压振幅最大，表面的声压振幅最大，改变改变S S1 1、S S2 2的间距，可以测量到一系列的声压最大的位置，的间距，可以测量到一系列的声压最大的位置，而这些相邻位置的间距就是超声波半波长的大小。而这些相邻位置的间距就是超声波半波长的大小。n n利用示波器来观测经换能器利用示波器来观测经换能器S S2 2产生的电信号波形，以确定产生的电信号波形，以确定振幅的最大位置。振幅的最大位置。4结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为/25难点：难点：、输入信号频率的影响、输入信号频率的影响改变输入信号频率，观察接收信号的变化。改变输入信号频率，观察接收信号的变化。在某一频率点处（约在某一频率点处（约3536KHz3536KHz之间）接收器接之间）接收器接收信号幅度最大，此频率即是压电换能器收信号幅度最大，此频率即是压电换能器S1S1、S2S2相匹配频率点。实验时保持此频率不变。相匹配频率点。实验时保持此频率不变。、S1S1、S2S2间距的影响间距的影响随着S1、S2间距的加大，接受信号的幅度会变小，要随时调节示波器的增益，以得到合适的图像。6二、二、 相位比较法（行波法）相位比较法（行波法）S1发射S2反射干涉而成驻波L 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j不随时间变化。7S1接X通道,S2接Y通道，移动S2,得到如下李萨如图形：结论：每次出现重复图形S2移动的距离为8实 验 装 置信号源示波器超声声速测量仪91、按实验装置图接线，使发射头和接收头的端面尽量平行2、共振频率，调整函数发生器的输出频率，使接收头输出的电信号幅度最大3、共振干涉法测波长，记录示波器上波形相继出现10个极大值所对应的接收头的坐标4、相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现10个相同李萨如图形时所对应的接收头的坐标实 验 步 骤101.逐差法计算波长，得到超声波传播速度2.计算超声波在空气中传播速度的公认值，求出两种测量方法得到的v的相对误差E3.计算不确定度数据记录与处理11问题处理：n n示波器不显示驻波：示波器不显示驻波： 调节信号发生器的输出频率，使频率处于换能器的共振调节信号发生器的输出频率，使频率处于换能器的共振频率上。频率上。n n驻波图形太大或太小：驻波图形太大或太小： 调节信号发生器的输出振幅、示波器的增益，以获得合调节信号发生器的输出振幅、示波器的增益，以获得合适的图形。适的图形。n n随着两换能器的间距增加，示波器显示的图形的会逐渐随着两换能器的间距增加，示波器显示的图形的会逐渐变小，可调节示波器的增益，以获得合适的图形。变小，可调节示波器的增益，以获得合适的图形。n n相位法测量时，须采用与驻波法相同的频率（即不可改相位法测量时，须采用与驻波法相同的频率（即不可改变信号发生器的频率）。变信号发生器的频率）。121 逐差法处理数据的优点是什么？2 为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测量？3 能否双显法进行测量？思 考 题13思考题解答参考1 逐差法处理数据的优点是充分利用测量数据，并对数据有取平均的效果。2 当输入电信号的频率为谐振频率时，压电换能器产生机械谐振，此时产生的声波幅度最大；当外力的频率等于谐振频率时，压电换能器产生机械谐振，此时得到的电信号最强。3 能，将两端信号都接入示波器，示波器上两正弦波相邻两次相位相同点，接收端移动的距离为一个波长，从而测出波速。14补充材料及仪器介绍压电换能器简介 有些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生形变时，其表面会产生电荷，去掉外力时又回到不带电状态，这种现象叫做压电效应；具有该效应的物质为压电材料；利用压电材料的压电效应制成的换能器叫做压电换能器。 15