实 验 报 告

声速的测量

【实验目的】

1.学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速

2.学会用逐差法进行数据处理；

3.了解声速与介质参数的关系。

【实验原理】

由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。

超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。本实验采用的是压电陶瓷制成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。

声波的传播速度与其频率和波长的关系为： (1)

由(1)式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。同样，传播速度亦可用  (2) 表示，若测得声波传播所经过的距离L和传播时间t，也可获得声速。

1.共振干涉法

实验装置如图1所示，图中和为压电晶体换能器，作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当和的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即

 (3)

时，发出的声波与其反射声波的相位在处差(n=1，2 ……)，因此形成共振。

因为接收器的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。

图中各极大之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应的接收器的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。

2.相位比较法

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物理实验报告

姓名：           专业：                 班级：                学号：               

实验日期：         实验教室：     5107        指导教师：                  

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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：

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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：2120505028

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. 

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…)；

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超声波测光速---仿真实验报告

实验日期：                     教师审批签字：

实验人：                             审批日期： 

一、实验目的

1．能够调整仪器使系统处于最佳工作状态。

2. 了解超声波的产生、发射、接收方法。

3. 用驻波法（共振干涉法）、相位比较法测波长和声速。

二、实验仪器及仪器使用方法

 （一）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

3 示波器。

（二）仪器使用方法

       1、连接测量电路。连线时鼠标选中接口，然后按住不放，拖到需要连接的另一接口后松开鼠标。如已有连线，则此操作将去掉连线。鼠标右键单击，弹出主菜单，选中接线检查，检查连线是否正确。

2、调整仪器。双击各仪器弹出其放大窗口，调整该仪器。

（1）示波器的使用与调整。请先调整好聚焦。然后鼠标单击示波器的输入信号的接口，把信号输入示波器。接着调节通道1，2的幅度微调，扫描信号的时基微调。最后选择合适的垂直方式选择开关，触发源选择开关，内触发源选择开关，Auto-Norm-X-Y开关，在示波器上显示出需要观察的信号波形。输入信道的信号是由实验线路的连接决定的。

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          液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。

一、     实验目的

1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理

2． 测定超声波在液体中的传播速度

二、     实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。

三、     实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N₀表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为

式中ΔN是折射率的变化幅度；ω_s是超声波的波角频率；K_s是超声波的波数，它与超声波波长λ_s的关系为K_s=2π/λ_s。图1b是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度v_s向前推进。

图1    密度和折射率呈周期分布

如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。设前进波与反射波分别沿y轴正方向传播，它们的表达式为

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