大学物理实验超声波速测量实验报告解析.docxVIP

For personal use only in study and research; not for commercial use 大学物理实验超声波速测量实验报告 一实验目的 了解超声波的物理特性及其产生机制； 学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据； 测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数； 并运用超声波检测声场分布。 学习超声波产生和接收原理， 学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。 观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射 二实验条件 HLD-SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪 三实验原理 1、超声波的有关物理知识 声波是一种在气体。 液体、固体中传播的弹性波。 声波按频率的高低分为次声波 (f v 20Hz )、声波(20Hz w f w 20kHz)、超声波(f >20kHz)和特超声波(f > 10MHz ),如下 图。 -次声波 L 特趙d诅# ■ 1 i * 音乐 ― * : d i 1 1 Lr 1 i 1 | 1 10l 102 1 o3 E 厅 10fi io7 10s io9 声波频谱分布图 振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波： 横波：质点振动方向和传播方向垂直的波，它只能在固体中传播。 纵波：质点振动方向和传播方向一致的波，它能在固体、液体、气体中的传播。 表面波：当材料介质受到交变应力作用时， 产生沿介质表面传播的波， 介质表面的质点 做椭圆的振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。 板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，可分为 SH波与兰姆波。 超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特的特点：绕射现象小，方向性好，能定向 传播；能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高 的频率传的更远，而且在液体里的衰减和吸收是比较低的； 能在异质界面产生反射、折射和 波形转换。 2、理想气体中的声速值 声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为 -rRT 式中R为气体普适常量(R=8.314J/(mol.k))， 是气体的绝热指数(气体比定压热容与比 定容热容之比)，」为分子量，T为气体的热力学温度，若以摄氏温度t计算，y： T二T。? t T0 =273.15K 代入式⑴得， 一 ?rR旷丄丄、 ‘rR〒 ：丄t ：丄t (2) v 仏Tt°甲讯=Voy1 T0⑵ 对于空气介质，0C时的声速V° =331.45 m/s 。若同时考虑到空气中的蒸汽的影响, 校准后声速公式为： V =331.45,1 + 丄)(1 +0319Pw)m/s (3) ,t° p 式中Pw为蒸汽的分压强，p为大气压强。 3、共振干涉法 设有一从发射源发出的一定频率的平面声波， 经过空气传播，到达接收器，如果接收面 与发射面严格平行， 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 面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离 丨，在一系列特定的距离上，媒质中出 现稳定的驻波共振现象。此时， 丨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。 不难看出，在移动接收器的过程中， 相邻两次达到 共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此，若保持频率 V不变，通过测量相邻两 次接收信号达到极大值时接收面之间的距离 （■ /2），就可以用V = v，计算声速。 发射波通过传声媒质到达接收器，所以在同一时刻，发射处的波与接收处的波的相位不 同，其相位差 「可利用示波器的李萨如图形来观察。 「和角频率 「、传播时间t之间有 如下关系： :=t 同时有： 川=2二 /T,t - -TV V （式中T为周期），代入上式可求得声速 V。 ■的确定用如下方法：根据 当 l 二 n ■ /2（n =1,2,3,…）时，得即=n 二。 实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离， 可观察到相位的变化。而当相位差改变 ■:时，相应的距离l的改变量即为半个波长。为精确测定波长的值，在实际的操作中要连 续测多个相位改变 二的点的坐标，再用逐差法算出波长 ■的值，根据波长和频率值可求出 声速。 行波法相位差图 5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射 所以在超声波段进行声速测量由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点, 是比较方便的。本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速； 并研究声 波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象， 将测量结果与理论计算进行比较， 从而对波动学 的物理规律和基本概念有更深的理解。 所以在超声波段进行声速测量 6、声波的干涉和衍射 双缝干涉实验装置如图 1所示。对于不同的:-角，如果从双缝到接收器的程差是零或 波长的整数倍