实验十三.测量超声波在空气中的传播速度

实验十三声速的测量解读

t
2 同时有 t
l ， t v
， v ，
（式中T为周期）；代入上式得：

2l

（n=1，2，3，...）时，可得。
当
n l 2
n
由上式可知：当接收点和波源的距离变化等
于一个波长时，则接收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即 2）。实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。当相位差改变π时，相应距离的改变量即为半个波长。根据波长和频率即可求出波速。
V V0 T t V0 1 T0 273.15
式中：T=(t+273.15)K；V0=331.45m/s(为
T0=273.15K时的声速)。V的单位为m/s。
六、注意事项 1．示波器电源打开后可连续使用，不要时开
时关，以免高压对仪器造成损害，暂时不用时可将辉度调暗。辉度过大时荧光屏寿命有影响。 2．x 、y增幅暂为零时，屏中亮点直径1mm；聚焦应调至图线为亮细线。 3．若图形的终点与起点间出现一条较暗的图线（回扫线），说明辉度过大，应调小至回扫线消失。 4．S1、S2两端面应平行；信号源电源打开后S1与S2不准接触。
2.位相比较法（行波法）
位相比较法实验线路图

位相比较法接线如图所示，声波波源振动时，将带动周围的空气质点振动。发射面向前运动时，使得前面的空气变得稠密，发射面向后运动时，使前面的空气变得稀疏。通过空气质点间的相互作用，这种疏密状态由声波波源向外传播，形成波动过程。在声波传播方向上，所有质点的振动位相逐一落后，各点的振动位相又随时间变化，但它们的振动频率与声源相同。因此，声场中任一点与声源间的位相差不随时间变化。声波波源和接收点存在着位相差，而这位相差则可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦交变电压信号的位相关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观察。位相差和角频率、传播时间 t之间有如下关系：

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。

超声波传播速度的测量

超声波传播速度的测量【教学目的】1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。

2.了解压电换能器的功能。

3.学习用逐差法处理数据。

【教学重点】1.掌握本实验的原理，熟悉各仪器的使用。

2.能够运用驻波共振法和相位比较法准确的测出超声波在空气中的传播速度。

【教学难点】理解并掌握驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度的原理及方法。

【课程讲授】提问：1. 本实验中的超声波是如何获得的？2.如何利用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度？一、实验原理频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。

在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。

υ,其中υ为波速, λ为波长,f为频率。

根据声波各参量之间的关系可知f⋅=λ图1共振法测量声速实验装置在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f求声速。

声波的频率f可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。

图2 相位比较法测量声速实验装置1.相位比较法见图长λ则ϕ∆＝π。

2.共振干涉(驻波)法测声速由声源S 1发出的声波（频率为f ），经介质（空气）传播到S 2，S 2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。

如果接收面（S 2）与发射面（S 1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。

反射面处是位移的波节，声压的波腹。

改变接收器与发射源之间的距离L ，在一系列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波共振现象。

此时L 等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。

通过压电转换，产生的电信号的电压值也最大（示波器显示波形的幅值最大）。

测量超声波在空气中的传播速度

测量超声波在空气中的传播速度【实验目的】1. 学会使用共振干涉法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。

2. 学会用逐差法进行数据处理。

3. 了解声速与气体参数的关系。

【实验原理】由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。

超声波的发射与接收一般是通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。

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λ和声源的振动频率f就可以由式（1）求出声波的传播速度。

声波频率f可通过频率计测得，本实验的主要任务是测出声波波长λ。

1.共振干涉法实验装置如图图1 共振干涉实验装置图2图中s1和s2为压电晶体换能器，s1作为声波源，它被振荡频率可以调节的低频信号发生器输出的电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向周围空气定向发出一近似平面声波；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的表面互相平行时，声波就在两个平面间反射，相互干涉。

经数学运算可知，在接收器s2表面，从振动位移来说是波节，从声压来说是波腹；在发射器s1表面，则情况较为复杂，其振幅与两个表面的间距有关，所以其振幅随s1和s2表面的间距L 而变，当∆+=2λnL ,n=0,1,2,3,....,λ≤∆,振幅为极大值，称为共振。

这是接收器s2接收到的声压也是极大值，经接收器转换成的电信号也是极大值（参见图2）。

图中各极大值之间的距离均为λ/2,由于衍射和其他消耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减少。

我们只要测出与各极大值对应的接收器s2的位置，就可以测出波长λ。

若用游标卡尺测出20个极大值的位置，并依次算出每经10个λ/2的距离：210111111λ=-=∆-L L L ,210212212λ=-=∆-L L L ,............................................21010201020λ=-=∆-L L L把等式两边各自相加，得∑∆=-+=101)10(2100i ii Lλ⎪⎭⎫⎝⎛=∑∆=-+101)10(501i i i L λ由低频信号发生器或频率计读得超声波的频率f 后，即可由下式求得声速f i i i L ⨯⎪⎭⎫⎝⎛=∑∆=-+101)10(501ν （2）若测不到20个极大值，则可少测几个。

超声测距实验报告

超声测距实验报告一、实验目的本次超声测距实验的主要目的是研究和掌握利用超声波进行距离测量的原理和方法，并通过实际操作和数据分析，评估测量系统的精度和可靠性。

二、实验原理超声波是一种频率高于 20kHz 的机械波，其在空气中传播时具有良好的指向性和反射特性。

超声测距的基本原理是利用超声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间差来计算距离。

具体计算公式为：距离＝（超声波传播速度×传播时间）／ 2 。

在常温常压下，空气中超声波的传播速度约为 340 米/秒。

通过测量超声波从发射到接收的时间间隔 t，就可以计算出距离。

三、实验仪器与材料1、超声测距模块：包括发射探头和接收探头。

2、微控制器：用于控制超声模块的工作和处理数据。

3、显示设备：用于显示测量结果。

4、电源：为整个系统供电。

5、障碍物：用于反射超声波。

四、实验步骤1、硬件连接将超声测距模块的发射探头和接收探头正确连接到微控制器的相应引脚。

连接电源，确保系统正常供电。

将显示设备与微控制器连接，以便显示测量结果。

2、软件编程使用相应的编程语言，编写控制超声模块工作和处理数据的程序。

实现测量时间的计算和距离的换算，并将结果输出到显示设备。

3、系统调试运行程序，检查系统是否正常工作。

调整发射功率和接收灵敏度，以获得最佳的测量效果。

4、测量实验将障碍物放置在不同的距离处，进行多次测量。

记录每次测量的结果。

五、实验数据与分析以下是在不同距离下进行多次测量得到的数据：｜距离（米）｜测量值 1（米）｜测量值 2（米）｜测量值 3（米）｜平均值（米）｜误差（米）｜｜｜｜｜｜｜｜｜ 05 ｜ 048 ｜ 052 ｜ 050 ｜ 050 ｜ 000 ｜｜ 10 ｜ 095 ｜ 105 ｜ 100 ｜ 100 ｜ 000 ｜｜ 15 ｜ 148 ｜ 152 ｜ 150 ｜ 150 ｜ 000 ｜｜ 20 ｜ 190 ｜ 205 ｜ 195 ｜ 197 ｜ 003 ｜｜ 25 ｜ 240 ｜ 255 ｜ 245 ｜ 247 ｜ 003 ｜｜ 30 ｜ 290 ｜ 305 ｜ 295 ｜ 297 ｜ 003 ｜通过对实验数据的分析，可以看出在较近的距离（05 米至 15 米）内，测量误差较小，基本可以准确测量。

超声声速测量实验报告

超声声速测量实验报告实验目的：通过测量超声波在介质中传播的时间，计算出声速。

实验原理：超声波是指频率高于人耳能听到的最高频率20kHz 的声波。

在实验中，可以用超声波测量仪测量超声波在不同介质中传播的时间，通过已知距离除以时间，可以得到声速。

实验装置：超声波发生器、超声波接收器、示波器、计时器、测量尺。

实验步骤：1. 将超声波发生器和超声波接收器连接到示波器上，并将示波器调节到合适的显示范围。

2. 使用测量尺测量超声波在空气中的传播距离，并记录下来。

3. 打开超声波发生器和接收器的电源开关，并调节超声波频率和强度。

4. 用计时器测量超声波从发生器发出到接收器接收到的时间，并记录下来。

5. 将超声波发生器和接收器放入水中，重复步骤2-4，分别测量超声波在水中的传播距离和时间。

6. 用已知的距离除以测得的时间，即可得到声速。

实验数据记录：- 空气中传播距离：30cm- 空气中传播时间：2.5ms- 水中传播距离：30cm- 水中传播时间：1.5ms实验结果计算：- 空气中声速 = 空气中传播距离 / 空气中传播时间- 水中声速 = 水中传播距离 / 水中传播时间实验结果分析：通过计算，得到空气中声速和水中声速的数值，可以发现水中声速比空气中声速要大。

这是因为声速与介质的密度和弹性有关，水的密度比空气大，所以声速也相应增加。

实验误差和改进：1. 计时器的误差：计时器的精度可能会带来一定的误差，可以尝试使用更精确的计时器进行测量。

2. 超声波的发射角度：超声波的传播方向可能会受到发射角度的影响，应尽量保证超声波直线传播。

3. 环境因素的干扰：实验室中可能存在其它声音的干扰，可以选择较为安静的环境进行实验。

实验总结：通过超声声速测量实验，我们可以通过测量超声波在介质中传播的时间，计算出声速。

这个实验可以帮助我们了解声波在不同介质中的传播特性，以及介质对声速的影响。

同时，实验中应注意排除干扰因素，保证实验结果的准确性。

用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度.

用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度声音是由于声源的振动而产生的，它通过周围弹性媒质的振动向外传播而形成声波(纵波)。

声波的波长、强度、传播速度等是声波的重要性质，其中声速的测量在实际应用中有着十分重要的意义。

声速可以利用它与频率和波长之间的关系(f v λ=)来测量，其中波长的测量是解决问题的关键。

既然声音是以波的形式传播，就有可能利用驻波法测定其波长，进而确定其波速。

其中共鸣管就是测定声音在空气中传播速度的一种装置。

频率在Hz 10~10284⨯之间的声波称为超声波，它具有波长短、能定向传播等优点。

超声波在测距、定位、测液体流速、测材料弹性模量以及测量气体温度瞬间变化等方面有着广泛的应用。

本实验还将利用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度，通过本实验可以进一步了解声波在空气中传播速度与气体状态参量的关系以及超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解等。

一．目的和要求１．进一步熟悉信号发生器和示波器的使用；２．了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解；３．用相位法和共振法测定超声波在空气中的传播速度。

二．原理声波的传播速度v 与声波频率f 和波长λ的关系为：f v λ= (11.10) 可见，只要测出声波的频率和波长，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，实验中可以采用几种不同的方法测出超声波的波长：１．相位法：波是振动状态的传播，也可以说相位的传播。

沿传播方向上的任何两点，如果其振动状态相同(同相)或者说其相位差为π2的整数倍，这时两点间的距离应等于波长λ的整数倍，即λn l = (11.11)利用式(11.11)可精确地测量波长。

由于发射器发出的是近似于平面波的声波（图11-5）,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激励信号同相。

用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度超声波测声速实验报告

用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度超声波测声速实验报告用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度【目的要求】1. 进一步熟悉信号发生器和示波器的使用；2. 了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解；3. 用相位法和共振法测定超声波在空气中的传播速度。

【引言】声音是由于声源的振动而产生的，它通过周围弹性媒质的振动向外传播而形成声波(纵波)。

声波的波长、强度、传播速度等是声波的重要性质，其中声速的测量在实际应用中有着十分重要的意义。

声速可以利用它与频率和波长之间的关系( )来测量，其中波长的测量是解决问题的关键。

既然声音是以波的形式传播，就有可能利用驻波法测定其波长，进而确定其波速。

其中共鸣管就是测定声音在空气中传播速度的一种装置。

频率在之间的声波称为超声波，它具有波长短、能定向传播等优点。