免費(fèi)下載！
[!--downpath--]實(shí)驗(yàn)報(bào)告：波速檢測【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹俊?了解波速與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系。 【實(shí)驗(yàn)原理】超聲波具有波長短、易定向發(fā)射、易反射等??優(yōu)點(diǎn)。 超聲波波段傳導(dǎo)波速檢測的優(yōu)點(diǎn)是超聲波的波長短，可以在短距離內(nèi)更準(zhǔn)確地測量波速。 超聲波的發(fā)射和接收通常是通過電磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的。 常見的方式是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。 本實(shí)驗(yàn)使用由壓電陶瓷制成的換能器（探頭）。 這些壓電陶瓷可以在機(jī)械振動(dòng)和交流電之間單向轉(zhuǎn)換能量。 聲波的傳播速率與其頻率、波長的關(guān)系為： (1) 由式(1)可知，通過測量聲波的頻率和波長，即可得到波速。 類似地，傳播速率也可以用vL/t(2)來表示。 如果測量聲波傳播的距離L和傳播時(shí)間t，也可以獲得波速。 諧振干涉法實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖中，S1和S2為壓電晶體換能器，S1作為聲波源。 它被低頻信號發(fā)生器輸出的交流信號激勵(lì)后，受到逆壓電效應(yīng)的影響。 它被迫振動(dòng)并向空氣中的一個(gè)方向發(fā)射近似平面的聲波； S2是超聲波接收器，當(dāng)聲波到達(dá)其接收面時(shí)，再次被反射。 當(dāng)S面近似平行時(shí)，聲波在兩個(gè)平面之間來回反射。 當(dāng)兩個(gè)平面的寬度L為半波長的整數(shù)倍時(shí)，即S1發(fā)出的聲波與S1處反射的聲波之間的相位差為2nπ（n=1、2），從而得到由于受話器S2的表面振動(dòng)位移可以忽略不計(jì)，因此它是位移的節(jié)點(diǎn)和響度的波腹。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)測試的是信噪比，因此當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，接收器的輸出會(huì)明顯降低。 在示波器上觀察到的聯(lián)通信號的幅度也是最大值（見圖2）。 圖中每個(gè)最大值之間的距離為λ/2。 由于散射和其他損耗，每一級的近似幅度隨著距離的減小而逐漸減小。 只要測量出每個(gè)最大值對應(yīng)的接收器S2的位置，就可以測量出波長。 讀取信號源發(fā)出的超聲波的頻率值后，可通過式（1）得到波速。 比較法波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，也可以說是相位的傳播。 當(dāng)波傳播方向上任意兩點(diǎn)同相時(shí)，兩點(diǎn)之間的距離為波長的整數(shù)倍。 借助這一原理，可以準(zhǔn)確地檢測波長。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，接收器S2沿波的傳播方向連接。 當(dāng)接收到的信號再次與發(fā)射器同相時(shí)，兩國之間的距離就等于聲波的波長。 同樣南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)聲速的測量，相位差也可以借助利薩如圖來確定。 實(shí)驗(yàn)中輸入示波器的信號來自同一信號源，且頻率嚴(yán)格相同。 因此，李薩如圖形是橢圓。 橢圓的傾斜度與兩個(gè)信號的相位差有關(guān)。 當(dāng)兩個(gè)信號之間的相位差為0或π時(shí)，橢圓就變成一條傾斜的直線。 時(shí)差法時(shí)差法檢測波速的實(shí)驗(yàn)裝置仍采用上述儀器。 信號源提供脈沖信號λ。 如果無法測量 20 個(gè)最大值，則可以少測量幾個(gè)（必須是質(zhì)數(shù)）并以類似的方式進(jìn)行估計(jì)。 【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算】 實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度為16℃，空氣中波速理論值為273.15）=341.019π/π1。 共振干擾法頻率f=35.617采用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 處理過程由C++程序完成。 程序如下：通過S1發(fā)送一個(gè)脈沖波。 脈沖信號傳播一定距離后被S2接收南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)聲速的測量，然后信號返回信號源。 對信號源內(nèi)部電路進(jìn)行分析比較后，可以從游標(biāo)千分尺上讀出輸出脈沖信號在S之間的傳播時(shí)間t和傳播距離L。 波速可以利用公式(2)來估計(jì)。
逐差法數(shù)據(jù)處理本實(shí)驗(yàn)中，如果用游標(biāo)千分尺測量2n個(gè)最大值的位置，依次計(jì)算出每個(gè)n 10L（mm）的數(shù)量為50.0052.5854.4157.4659.6362.4064.4667.3770.6072。 16: (毫米)74.0177.0079.0181.8483.8086.9288.7891.6693.3196.49##;=10;=35.617;[2*n]={50.00,52.58,54.41,57.46,59.63,62.40,64.46,6 7.37、70.60、 72.16, 74.01, 77.00,79.01,81.84,83.80,86.92,88.78,91.66,93.31,96.49};=0;()for(inti=0;in;i++)LMD+=(L[n+i]-L[ i])* 2/n/n;("v=%.3lfn",LMD*f*2);("pause");相位比較法頻率f=35.618采用逐差法數(shù)據(jù)處理，處理過程由C++程序完成。 程序編號如下：10L(mm)54.8264.4174.0283.7493.40103.06112.90122.36131.86141.09##;=35.618;[2*n]={54.82,64.41,74.02,83.74,93.40,103.0 6,112.90,122.36, 131.86,141.09};=0;()for(inti=0;in;i++)LMD+=(L[n+i]-L[i])/n/n;("v=%.3lfn " ,LMD*f);(“暫停”);利用時(shí)差法檢測空氣中波速的電腦圖如下：No./mm56.8055.8666.8171.8576.8281.8386.8191.86 因?yàn)榈诙M數(shù)據(jù)有偏差較大，則剔除。
計(jì)算機(jī)估計(jì)v=344.41。 利用時(shí)間差法檢測液體中波速的計(jì)算機(jī)圖如下：No./mm105.24110.02115.00120.05125.04130.06135.01140.05 計(jì)算機(jī)估計(jì)v=1449.43 [分析與討論] 1 關(guān)于偏差，雖然做這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要非常精確的操作。 為了獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，除了需要大家時(shí)刻專心觀察和操作儀器外，還需要兩個(gè)人的默契配合。 其實(shí)還是有一些基本的事情需要注意的。 例如，操作距離旋鈕時(shí)，最好不要旋轉(zhuǎn)太快，接近讀數(shù)點(diǎn)時(shí)減慢速度，最好不要向相反方向旋轉(zhuǎn)旋鈕； 最好將示波器的圖像調(diào)整到合適的大小和位置，以便于觀察和減少偏差。 觀察李沙如圖像時(shí)，應(yīng)選擇水平線段或垂直線段之一作為標(biāo)準(zhǔn)，否則很難判斷所連接的線段是波長還是半波長。 此時(shí)應(yīng)盡可能放大圖像，因?yàn)樾D像在觀測重疊時(shí)會(huì)造成較大偏差。 事實(shí)上，最終的測量結(jié)果仍然存在一定的誤差，但偏差已經(jīng)很小了。 觀察空氣中測量的波速，我們發(fā)現(xiàn)幾種檢測方法的檢測結(jié)果都偏高。 一個(gè)重要原因是空氣中富含水蒸氣和其他雜質(zhì)。 聲音在這種材料中的傳播速度高于在空氣中的傳播速度。 傳播速率很大，所以最終的檢測結(jié)果太大。 使用相位法測量的結(jié)果最接近真實(shí)值。 由于以這種方式觀察圖像，因此當(dāng)圖像變?yōu)橹丿B時(shí)讀取讀數(shù)。 比較容易判斷圖像是否與直線重合，因此偏差會(huì)較小。
【思考問題】 1、換能器為什么需要在諧振頻率條件下測量波速？ 答：因?yàn)樵谥C振頻率處，反射面之間的信噪比達(dá)到最大值。 這樣，在示波器上觀察到的電壓信號的幅度是最大的，更容易觀察。 2. 聲波在兩個(gè)換能器之間產(chǎn)生共振必須滿足什么條件？ 答：1、兩個(gè)換能器的發(fā)射面和接收面相互平行。 2. 兩個(gè)換能器之間的距離為半波長的整數(shù)倍。 3. 列出超聲波應(yīng)用的三個(gè)例子。 它們都利用了超聲波的這些特性嗎？ 答：比如超聲波定位系統(tǒng)、超聲波檢測、超聲波潔牙等。 它們利用了超聲波波長短、易于定向發(fā)射且易于反射的優(yōu)點(diǎn)。 4、時(shí)差法檢測中，為什么共振或接收增益會(huì)影響波速計(jì)接收點(diǎn)的確定？ 答：因?yàn)楫?dāng)諧振或接收增益太大時(shí)，接收器會(huì)提前接收到信號，因此測量的時(shí)間會(huì)太小，導(dǎo)致最終估計(jì)的波速太大。 【個(gè)人觀點(diǎn)】1.我認(rèn)為這種測量波速的實(shí)驗(yàn)方法可以有更廣泛的好處。 對于前兩種方法，可以測量一些以波形式傳播的材料的速度。 如果儀器可以非常精確，就可以測量光速。 對于第三種方法，可以用來檢測光速。 在發(fā)射器和接收器處安裝平面鏡，可以記錄光來回傳播的時(shí)間。 發(fā)射器和接收器可以記錄光的往返次數(shù)，然后利用時(shí)間差計(jì)算光速。