实验42 测量超声波在空气中的传播速度
超声波在空气中的传播速度实验
超声波在空气中的传播速度实验
一、故障及排除方法：
1．现象：用驻波法测声速时，移动换能器，示波器接收到的输出电压波形无大小变化。
原因：
（1）测量线损坏。
（2）发射换能器和接收换能器不垂直、不平行。
（3）示波器相关功能档位设置不合适。
（4）信号发生器输出频率偏离换能器固有谐振频率太大。
排除方法：
（1）更换测量线。
（2）调节发射换能器和接收换能器垂直、平行。
（3）调节示波器相关功能档位设置。
（4）调节信号发生器输出频率靠近换能器固有谐振频率。
2．现象：用相位法测声速时，李萨如图形只在一个方向大小变化，无法判定相位差。
原因：
（1）示波器工作方式未置于“X-Y方式”。
（2）示波器通道1（CH1）、通道2（CH2）测量端接到同一个端口造成该现象。
排除方法：
（1）应将示波器工作方式置于“X-Y方式”。
（2）应将示波器通道1（CH1）、通道2（CH2）测量端分别接发射换能器输入端和接收换能器输出端。
二、仪器维护：
1．凯特摆在长期不使用时，要在刀口处加入润滑由，然后用布盖住防尘，
摆捶要取下，摆捶最好要垂直吊挂，以免发生微小形变（弯曲）。
2．示波器在使用过程中避免长时间出现一个亮点，也不宜过亮，这样可以延长示波管的使用寿命。
信号源的按键由于使用频繁，所以要定期检查，看档位有没有发生错位现象，用频率计等仪器来校验输出频率是否在允许的误差范围内，再加以调整校对。
空气中声速的测定
【实验目的】1、掌握两种测量声速方法的原理，学会测定超声波在空气中的传播速率。
2、了解压电换能器的功能，熟悉信号源和示波器的使用。
3、加深对驻波及振动合成理论的理解。
4、测定超声波在固体中的传播速率【实验原理】（原理概述，电学。
光学原理图，计算公式）在波动过程中，波速v、波长λ和频率f之间存在下列关系v=fλ通过实验，测出波长λ和频率f，就可以求出声速v。
常用的方法有驻波法和相位比较法两种。
超声波声速测定装置主要由压电传感器和游标卡尺构成。
传感器的主要部件是用多晶体结构的压电材料（如碳酸钡）在一定温度下经特殊处理而成的压电陶瓷片。
这种陶瓷片具有压电效应，它能将交流电压信号转换成纵向长度的伸缩，靠自身成为声波波源；反过来，也可将声压变化转换成电压变化，即用它将接收到的声波信号转变为电压信号。
压电传感器有一谐振频率f，当外加声波信号的频率等于此频率时，陶瓷片将发生机械谐振，得到最强的电压信号，此时传感器具有最高的灵敏度；反过来，当输入的电压使得传感器产生机械谐振时，作为波源将具有最强的发射功率。
实验装置中使用两个压电传感器，其一作为超声发射器，另一个作为接收器。
1.驻波法测声速实验装置如图。
图中S1和S2为压电陶瓷超声换能器，S1作为超声源（发射头），由信号源输出的正弦交变电压接到S1上，使得S1发出一平面超声波；S2作为超声波的接收头，把接收到的声压转变成交变的正弦电压信号后输入示波器观察。
S2在接收超声波的同时，还向S1反射一部分超声波，这样由S1发出的超声波和由S2反射的超声波就在S1和S2之间的区域干涉形成驻波。
驻波相邻两波峰（或波节）之间的距离为半波长。
S2可以移动，其位置由游标卡尺读出。
当改变S2到S1之间的距离时，在一系列特定位置上，S2面接收到的声压达到极大值（或极小值），相邻两极大值（或极小值）之间的距离皆为半波长。
此时，在示波器荧光屏上所显示的波形幅值发生周期性的变化，即由一个极大值变到极小值，再变到极大值。
超声波在不同介质中的传播速度及损耗系数测量-声学论文-物理论文
超声波在不同介质中的传播速度及损耗系数测量-声学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——超声波是一种在弹性介质中传播的机械波，由于其具有波长短、传播方向性好等优点，在大学物理的声速测量实验中一般选择超声波段的声波进行测量。
超声波由于其频率高、功率大、穿透能力强、信息携带量大等特点，已广泛应用于工业、农业、生物医学以及科学研究等领域，如超声波测距和定位、超声波无损检测、超声波清洗等。
描述声波的物理量有波长、频率、传播速度、强度等，对这些量的测量是声学技术的重要内容，声速的测量在声波测距、定位和无损检测中有着广泛的应用。
声速测量实验属于大学物理实验中的基础性实验，一般仅开设超声波在空气中传播速度的测量，该部分原理简单，导致实验内容不饱满，因此，根据仪器特点，可将声速测量实验改造为超声波专题设计综合实验，增设一些设计性实验内容。
测量超声波在不同介质中的传播速度;研究同一介质中随发射和接收端距离变化，接收端振幅的变化规律;计算不同介质中超声波的损耗系数等。
对于实验数据的处理要求学生使用Origin、Matlab 等软件辅助完成，在学习物理内容的同时，熟练掌握常用数据处理软件的使用，不断挖掘学生学习的积极主动性，培养学生的创新意识和能力。
1 实验原理超声波传播速度常用的测量方法有共振干涉法、相位法、反射回波法等，本文采用共振干涉法研究不同介质中超声波的传播特性。
共振干涉法又称驻波法，实验装置如图 1 所示，由示波器、声速测量仪和信号发生器组成，S1和S2为压电陶瓷换能器，利用压电效应实现声压和电压之间的相互转换。
在信号发生器产生的交变电压作用下，使发射端S1产生机械振动，将激发的超声波经介质传播到接收端S2，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，当接收端与发射端距离恰好等于半波长的整数倍时，两波叠加后形成驻波，当信号发生器的激励频率等于压电陶瓷换能器的固有频率时，会产生驻波共振。
声速测定实验
声速测定实验声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。
声波在媒质中传播时，声速，声衰减等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性及状态变化。
例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量；气体、液体的比重、成分等参量。
在自由空间同一媒质中，声速一般与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。
由于超声波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。
超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。
实验目的1．了解超声换能器的工作原理和功能2．学习不同方法测定声速的原理和技术3．熟悉测量仪和示波器的调节使用4．测定声波在空气及水中的传播速度实验原理1.压电陶瓷换能器压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上会产生一定的电场E，它们满足线性关系：E=g·F反之，当在压电材料的极化方向上加电压E时，材料的伸缩形变S与电压E也呈线性关系：S=a·E系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。
本实验采用压电陶瓷超声换能器，将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动。
压电陶瓷片是换能器的工作物质，它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡，锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。
在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属，组成的夹心型振子，就构成了换能器。
由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩，这样所发射的声波，方向性强，平面性好。
每一只换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频率上，才能有效的发射(或接收)。
本实验中使用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，二换能器的表面互相平行，且谐振频率匹配。
2.声速的测量方法声速的测试方法可以分为两类。
第一类方法是直接根据速度关系式：v=S/t测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，该法称为“时差法”，这是工程应用中常用的方法。
第二类方法是利用波长频率关系式：v=f·λ测量出频率f和波长λ来计算出声速，测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”，本实验可用上述三种方法测量气体、液体以及固体中的声速。
测量超声波在空气中的传播速度实验报告
测量超声波在空气中的传播速度实验报告一、实验目的本实验旨在通过测量超声波在空气中的传播速度，了解超声波的特性及其在实际应用中的重要性。
二、实验原理超声波是指频率高于人类能听到的20kHz的机械波。
它具有穿透力强、反射能力弱等特点，在医学、工业等领域有广泛应用。
超声波在介质中传播速度与介质密度和弹性模量有关，而空气是一种低密度、低弹性模量的介质，因此其传播速度较慢。
三、实验器材和药品1. 超声波发生器2. 超声波接收器3. 示波器4. 计时器5. 电源线四、实验步骤及结果分析1. 实验前准备：将超声波发生器和接收器连接至示波器上，并将电源线插入电源插座。
调整示波器至合适的状态。
2. 实验过程：a) 将发生器和接收器分别放置于两个固定距离内（如10cm）。
b) 开启发生器，使其发出一个持续时间为1s的超声波信号。
c) 记录接收器接收到该信号所需的时间t。
d) 将发生器和接收器的距离增加一定值（如5cm），重复以上步骤，直至距离达到一定范围（如50cm）。
3. 结果分析：根据公式v=d/t，计算出每组数据的超声波在空气中的传播速度，并绘制出速度与距离之间的关系图。
实验结果表明，超声波在空气中的传播速度随着距离的增加而减小，且其变化趋势符合理论预期。
五、实验注意事项1. 实验时应保持环境安静，以免干扰实验结果。
2. 实验过程中要注意安全，避免发生意外伤害。
3. 实验结束后要将设备清洁干净，并妥善保管。
六、实验总结本实验通过测量超声波在空气中的传播速度，深入了解了超声波在介质中传播的规律及其在医学、工业等领域中的应用。
同时，在实验过程中也提高了我们的动手能力和科学素养。
声速测量实验报告
声速测量实验报告声速测量实验报告【实验目的】1.学会测量超声波在空气中的传播速度的方法。
2.理解驻波和振动合成理论。
3.学会用逐差法进行数据处理。
4.了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。
【实验仪器】信号发生器、双踪示波器、声速测定仪。
【实验原理】声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为：λfv=可见，只要测出声波的频率f和波长λ，即可求出声速。
f可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。
根据超声波的特点，实验中可以采用驻波法和相位法测出超声波的波长。
1. 驻波法（共振干涉法）如右图所示，实验时将信号发生器输出的正弦电压信号接到发射超声换能器上，超声发射换能器通过电声转换，将电压信号变为超声波，以超声波形式发射出去。
接收换能器通过声电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观察。
由声波传播理论可知，从发射换能器发出一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收换能器。
如果接收面和发射面严格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波相互干涉形成驻波。
此时，两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长的整数倍。
在声驻波中，波腹处声压（空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强）最小，而波节处声压最大。
当接收换能器的反射界面处为波节时，声压效应最大，经接收器转换成电信号后从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值，所以可从接收换能器端面声压的变化来判断超声波驻波是否形成。
移动卡尺游标，改变两只换能器端面的距离，在一系列特定的距离上，媒质中将出现稳定的驻波共振现象，此时，两换能器间的距离等于半波长的整数倍，只要我们监测接收换能器输出电压幅度的变化，记录下相邻两次出现最大电压数值时（即接收器位于波节处）卡尺的读数（两读数之差的绝对值等于半波长），则根据公式：λf v =就可算出超声波在空气中的传播速度，其中超声波的频率可由信号发生器直接读得。
2.相位比较法实验接线如下图所示。
超声声速测量
2．为保证获得最佳驻波，传感器放置方式的注意要点：两个换能器的法线方向的关系？
3．为保证测量李萨如图形的分辨率高，示波器所显示的X轴和Y轴的正弦波的振幅比应尽量接近1：1。
课后思考题
预习思考题
1．何谓换能器的共振状态?
2．用共振法和相位法测声速时，接线方式有何区别?
思考题
1．为什么要在换能器的共振状态下测定声速的波长?
2．本实验产生误差的主要原因是什么?
超声声速测量
实验目的、教学要求1．
2．了解压电陶瓷换能器的工作原理，进一步加深对驻波和振动合成理论的理解；
3.利用共振法、相位法测量超声波在空气中的传播速度，加深相位的概念。
要求：用“共振法”及“相位法”测定声波在空气中的波长，以间接方式确定空气中的声速。掌握实验数据的正确记录及处理、测量结果不确定度的计算及最终结果的正确表述。
如果测出超声波的波长和频率，则超声波的波速即可确定。
1．共振干涉(驻波)法
压电陶瓷晶片所构成的超声波发生器发射出一定频率的平面超声波，经过空气传播到达接收器（由同样的力传感器）构成，入射波在接收器的平面上产生反射，在发射器与接收器之间入射波与反射波叠加形成驻波。由纵波的性质可以证明，当接收器端面位于振动的波节点时，正好处于声压的波腹位置。因此当空气中形成驻波共振时，接收器端面位于振动波节处接收到的声压最大，经过接收器转换成的电信号也最强，此时发射器与接收器之间的距离应为半波长的整倍数。
提问：如何判定力传感器实现共振？驻波形成的条件？
2Байду номын сангаас相位比较法
声速测量实验实验报告
一、实验目的1. 掌握测量超声波在空气中传播速度的方法。
2. 理解驻波和振动合成理论。
3. 学会逐差法进行数据处理。
4. 了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。
二、实验原理1. 声波在空气中的传播速度：在标准状态下，干燥空气中的声速为v₀ = 331.5 m/s，温度T = 273.15 K。
室温t时，干燥空气的声速v可以表示为：v = v₀ √(T/t)其中，T为绝对温度，t为室温。
2. 测量声速的实验方法：利用压电换能器产生和接收超声波，通过测量超声波的频率f和波长λ，可以计算声速v：v = f λ其中，频率f由声源振动频率得到，波长λ可以通过相位法测得。
3. 相位法：当超声波发生器发出的声波是平面波时，当接收器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。
沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置使得接收到的信号与发射器的激励电信号同相。
继续移动接收器，直到找到的信号再一次与发射器的激励电信号同相时，移过的这段距离就等于声波的波长。
三、实验仪器1. 函数信号发生器一台2. 超声波发射器一台3. 超声波接收器一台4. 双踪示波器一台5. 压电陶瓷换能器两台6. 同轴电缆若干7. 温度计一台8. 卷尺一把四、实验步骤1. 将函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端及示波器的通道1相连；超声波接收器的输出端和示波器的通道2相连。
2. 将压电陶瓷换能器安装在支架上，使其相对位置固定。
3. 调整函数信号发生器的输出频率，使其在超声波发射器的工作频率范围内。
4. 使用示波器观察发射器和接收器信号的波形，并调整接收器位置，使接收到的信号与发射器的激励电信号同相。
5. 记录此时接收器与发射器之间的距离，即为声波的波长λ。
6. 重复步骤4和5，记录多组数据。
7. 利用逐差法对实验数据进行处理，计算声速v。
五、实验结果1. 测量得到的声波波长λ的平均值为λ = 0.0200 m。
2. 利用公式v = f λ计算得到的声速v的平均值为v = 402.0 m/s。
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测量超声波在空气中的传播速度
【实验简介】
声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。
声波的振动频率在20Hz～20KHz时，可以被人听见；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20KHz的声波称为超声波。
对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。
声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。
本实验分别采用驻波法和相位法测量超声波在空气中的传播速度。
【实验目的】
1. 学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。
2. 深刻理解驻波的特性，以及相位的物理含义。
3. 了解产生和接收超声波的原理。
【预习思考题】
1. 什么是驻波以及驻波的特点是什么？
2. 什么是共振？如何判断测量系统是否处于共振状态？
3. 如何确定最佳工作频率？
4.相位法中比较的相位是哪两个相位？
【实验仪器】
示波器，声速测试仪，信号发生器。
【实验原理】
1. 声速的测量
声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系：
测出声波波长和声源的振动频率就可以由式（4.2.1）求出声波的传播速度。
声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。
1.1 驻波法测声速
驻波法就是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波进行测量的。
由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。
改变声
源和刚性反射面之间的距离l ，驻波场中各质点振动的振幅也在发生变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足 2λ
n l = （4.2.2）
时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。
保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x ，在满足式（4.2.2）的位置上可以观察到驻波共振状态。
由式（4.2.2）可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离x ∆为2
λ，即 2λ
=∆x ( 4.2.3)
只要测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离x ∆，就可以求出声波的波长，从而由式( 4.2.1 )计算出声速。
这种测量声速的方法又称为驻波共振法。
实验中，通过用示波器观测反射端处的振动状态来判断质点是否处于驻波共振状态。
1.2 相位法测声速
相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来进行测量的。
由声源发出的声波在沿其传播方向上，相位差为π的两质点之间的距离为半个波长2λ，因此，只要测出相位差为π的两质点之间的距离d ∆，就可由
2λ
=∆d ( 4.2.4)
计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。
实验中保持声源的位置不变，改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的相位差，记下相位差每变化π时反射面的位置d ，求出相位差变化π时反射面位置的变化d ∆。
示波器测两信号的相位差有两种方法：双踪示波法和李萨如图形法，本实验用李萨如图形测两点的相位差。
将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上，在示波器上观察到的李萨如图形是一椭圆，当改变反射面的位置时，两信号的相位差发生变化，李萨如图形由椭圆→直线→椭圆→直线发生周期性变化，如图4.2.1所示，其中相邻两次出现直线时反射面位置的变化就是相位差为π时两质点的距离d ∆。
2. 声波的发射和接收－压电换能器
任何振动的物体都可以作为其周围媒质的声源，但要产生持续而频率单一的声波，通常都采用电声转换的方法（如电声喇叭）。
实验室为避开音频区域对人听觉的影响，也为避免周围音频对实验的干扰，采用了超声频段，压电换能器是发射和接收超声波的器件。
压电换能器是根据某些晶体（如石英、钛酸钡等）具有压电效应而制成的。
当这些晶体受压或拉伸时，其表面会出现电荷而有电压；反之，当在这些晶体的两个面上加电压时，晶体就会收缩或伸展。
实验使用由钛酸钡压电材料制成的超声波发射器和接收器，其结构如图
4.2.1所示。
当在它的两个电极加上单一频率的正弦电压信号时，压电片将产生同频率的机械伸缩，从而产生同一频率的超声波，反之，压电换能器也可将接收到的超声波信号转换为电压信号从两个电极输出。
振动物体都有自身的固有频率，它取决于振动体材料的性质和几何尺寸。
当加于压电片的信号频率等于压电片的固有频率时，就会产生机械共振。
图4.2.2中的f 0就是达到共振的谐振频率，此时发射的声波最强。
因此，在使用时应将电信号的频率调为该压电片的谐振频率。
图4.2.2 图4.2.3
012=-ϕϕ 212π
ϕϕ=- πϕϕ=-12
2312πϕϕ=- 图4.2.1
【实验内容与步骤】
1. 驻波法测声速
1.1 将信号发生器输出的正弦波信号加在声速测试仪的发射端，声速测试仪的接收端与示波器相连（y1通道）。
如图4.
2.5所示。
图4.2.5
1.2 转动距离调节手把，使声速测试仪的发射端和接收端的两个端面相距为1cm左右，并使两个端面保持平行。
调节信号发生器的频率（换能器的谐振频率为40KHz左右），观察示波器上波形幅度的变化，当接收到的信号幅度最大时，记录信号发生器的频率f（f为共振频率），并在实验中保持f不变。
1.3 缓慢转动距离调节手把，使声速测试仪的接收端远离发射端，观察示波器上图形的变化。
当示波器上波形幅度最大时，记录声速测试仪接收端的位置读数。
转动手把连续读取10个波形幅度最大时测试仪接收端的位置读数。
相邻读数的差值即为λ/2 。
1.4 用逐差法求波长λ，将f和λ代入( 4.
2.1 )式求出声波的速度。
2. 相位法测声速
2.1 在驻波法测声速的连线基础上，将信号发生器输出端再引出一根线接入示波器的Y 端口（y2通道），将示波器的“扫描频率”旋钮旋至“x－y”位置，即将示波器调至观察李萨如图形的状态，如图4.2.6所示。
图4.2.6
2.2 缓慢转动距离调节手把，观察示波器上图形的变化。
当出现图4·2·4中的直线时，记录声速测试仪接收端的位置读数。
转动手把连续读取10个直线（包括一、三象限的直线和二、四象限的直线）出现时测试仪接收端的位置读数。
相邻读数的差值即为λ/2。
2.3 用逐差法求波长 ，由（4.2.1）式计算声速，并计算其不确定度。
【注意事项】
1.每台声速测试仪的谐振频率不同，实验时要注意仪器所标示数，找出自己使用的仪器的谐振频率，并按实验要求微调出最佳值。
2. 注意消除螺距差。
3. 实验时要减少振动和手接触仪器的面积，以减少干扰。
【思考题】
1. 声波的传播速度与温度等条件有关，当空气的温度变化时，声速将怎样变化？
2. 本实验选取超声频段，以减少干扰，如果要求测试可闻声波频段，实验装置应如何改进。
3. 可否测量声波在水中的速度 ? 实验装置应如何改进 ? 并且利用此装置可否测量某种液体的密度?简述实验方案。