超声波测声速实验报告

西安交通大学

大学物理仿真实验

实验报告

——声速的测量

姓名：林丽

学号：28

学院：电信学院

班级：计算机22班

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。

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：叠加后合成波为：

的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：(n=0,1,2,3…)；

的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：(n=0,1,2,3…)。

因此，只要测得相邻两波腹（或波节）的位置、即可得波长。

图1 实验装置和接线图

2.相位比较法测波长

从换能器发出的超声波到达接收器，所以在同一时刻与处的波有一相位差：

(其中λ是波长，x为和之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变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，观察和是否平行。

图 2 接线截图

2.测量信号源的输出频率。

将示波器调整为y-t模式，观察到正弦信号的波形，使和间的距离约为

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，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，取i=10，用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率计算声波波速和

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，

当重复出现该图形时，说明相位变化了2π，即和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4 Ф=π

图5 Ф=图8 Ф=

图6 Ф=图9 Ф=

图7 Ф= 图10 Ф=2π

五、 数据记录及处理

1． 基础数据记录

谐振频率=

2． 驻波法测量声速

i 1i （cm ） i+6 1i+6（cm ） λi = (1i+6-1i ) /3（cm ） 1 7 2 8 3 9 4 10 5 11 6

12

λ的平均值：==∑=1

6i i λλ（cm ）

λ的不确定度：

)

1()(6

1

2

--=

∑=i i S i i

λλ

λ＝（cm ）

因为，λi = (1i+6-1i ) /3，Δ仪=0.02mm 所以，＝仪∆=

3

32λu （cm ）

=+=22λ

λλσu S （mm ） 计算声速：

50.354==λυf （m/s ）

计算不确定度：

(m/s)

3)()((kHz)

2.03

%122=+==⨯=

f f f f λσσσσλυ

实验结果表示：υ=（354±3）m/s ，=%

3． 相位比较法测量声速

i 1i （cm ） i+7 1i+7（cm ） λi = (1i+7-1i )/7（cm ） 谐振频率

1 8 f=

2 9

3 10400 10

4 11

5 12

6 13

7 14

λ的平均值：==∑=7

1

71i i λλ（cm ）

λ的不确定度：

)

1()(7

1

2

--=

∑=i i S i i

λλ

λ＝（cm ）

因为，λi = (1i+7-1i ) /7，Δ仪=0.02mm 所以，＝仪∆=

3

72λu （cm ）

=+=22λ

λλσu S （mm ） 计算声速：

31.353==λυf （m/s ）

计算不确定度：

(m/s)

3)()((kHz)

2.03

%122=+==⨯=

f f f f λσσσσλυ

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