专业班级：材料91 姓名： 09021010

一、实验目的

（1）、了解超声波的发射和接收方法。

（2）、加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。

（3）、掌握用干涉法和相位法测声速。

二、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（共装置图。

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Xn、Xn-1即可得波长。 相位比较法测波长：从换能器S1发出的超声波到达接收器S2，所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差：φ=2∏x/λ，其中λ是波长，x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变2∏。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

三、实验仪器

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。 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。 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。

四、实验内容

1．调整仪器使系统处于最佳工作状态。

2．用驻波法（共振干涉法）测波长和声速。

3．用相位比较法测波长和声速。

五、实验数据及处理：

f=34kHz;

Vp-p=5V;

L=3.976cm;

六、实验结论：

波长λ=1.0612cm;

由此声速经测算为v=（354±3）m/s;

U=0.8%

七、思考题：

1．固定距离，改变频率，以求声速。是否可行？

答：不行，由“v = f λ”，距离一定后使得波长无法计算。

2．各种气体中的声速是否相同？为什么？

答：不同，因为不同气体的密度不同,声波在不同介质中波长改变,根据公式可得结论。

第二篇：超声波测声速实验报告

超声波测量声速

实验报告

——大学物理仿真实验

学院：生命学院

班级：生基硕01

姓名：廖崇兵

学号：10123011

实验日期：20##年6月3日—9日

交报告日期：20##年6月10日

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。

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7 Ф=π

                       

图4 Ф=                                                    图8 Ф=

                         

图5 Ф=                                                     图9 Ф=

                     

图6 Ф=                                                  图10 Ф=2π

五、      数据记录及处理

1． 基础数据记录

谐振频率=33.5kHz

2． 驻波法测量声速

表1  驻波法测量声速数据

λ的平均值：1.0582（cm）

λ的不确定度：

＝0.002（cm）

因为，λ_i= (1_i+6-1_i) /3，Δ_仪=0.02mm

所以，0.000544（cm）

0.021（mm）

计算声速：

（m/s）

计算不确定度：

实验结果表示：υ=（354±3）m/s，=0.8%

3． 相位比较法测量声速

表2  相位比较法测量声速数据（相位变换2π）

λ的平均值：1.1041（cm）

λ的不确定度：

＝0.002（cm）

因为，λ_i= (1_i+7-1_i) /7，Δ_仪=0.02mm

所以，0.000233（cm）

0.020（mm）

计算声速：

（m/s）

计算不确定度：

实验结果表示：υ=（353±3）m/s，B=0.8%

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不懂，知识照着实验指导上的步骤去做而已。

八、      思考题

1.        准确测量谐振频率的目的是什么?

答：在谐振频率时，波形最稳定，能够观察读数。准确测量数值，以便于调整。

2.       若固定两换能传感器之间的距离,改变频率,能否测量出声速?为什么?

能。因为v = f λ，已知频率f，而且波长λ也能通过示波器图像读出，所以可以用驻波法测量出声速。