物理仿真实验报告

超声波测声速

班级：计算机11 学号：2110505018 姓名：司默涵

西安交通大学实验报告

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课程：_______________大学物理实验_______________ 实 验 日 期 ： 2012 年 11月 26日 专业班号_________计算机11____组别______无______ 交报告日期： 2012 年 11 月 30 日 姓 名_______司默涵______学号________2110505018____ 报 告 退 发 ： （订正、重做） 同 组 者____________________司默涵_________ 教师审批签字：

实验名称：超声波测声速

一、实验目的：

1.了解超声波的产生、发射、和接收方法；

2.用驻波法、相位比较法测量声速。

二、实验仪器：

SV-DH系列声速测试仪，示波器，声速测试仪信号源。

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

入射波与发射波叠加，面波经前方的平面反射后，它们波动方程分别是：

叠加后合成波为：

振幅最大的各点称为波腹，其对应位置：

振幅最小的各点称为波节，其对应位置：

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。

2.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：。因为x改变一个波长时，相位差就改变2π。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

四、实验内容及操作步骤：

1．接线

2．调整仪器

（1）示波器的使用与调整

使用示波器时候，请先调整好示波器的聚焦。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。

（2）信号发生器的调整

根据实验的要求调整信号发生器，产生频率大概在35KHz左右，幅度为5V的一个正弦信号。由于本实验测声速的方法需要通过换能器（压电陶瓷）共振把电信号转为声信号，然后再转为电信号进行的，所以在开始测量前需要调节信号的频率为换能器的共振频率。在寻找共振频率时，通过调节信号发生器的微调旋钮，观察示波器上信号幅度是否为最大来逐步寻找的。

（3）超声速测定仪的使用

在超声速测定仪中，左边的换能器是固定的，右边的换能器是与游标卡尺的滑动部分连接在一起的。这样，左右换能器间的距离就可以通过游标卡尺来测量出来，在上图的下半部分是一个放大的游标卡尺的读数图。

3．实验内容

寻找到超声波的频率（就是换能器的共振频率）后，只要测量到信号的波长就可以求得声速。我们采用驻波法和相位比较法来测量信号波长:

（1）驻波法

信号发生器产生的信号通过超声速测定仪后，会在两个换能器件之间产生驻波。改变换能器之间的距离（移动右边的换能器）时，在接收端(把声信号转为电信号的换能器)的信号振幅会相应改变。当换能器之间的距离为信号波长的一半时，接受端信号振幅为最大值。

实验中调节示波器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，使屏幕上显示出接受端信号，图见前面“调整仪器”中“示波器的使用与调整”部分。然后，一边移动右边换能器，一边观察示波器上的信号幅度。当信号幅度为最大值时，通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。两个相邻的信号幅度最大时换能器间的距离差就是波长的一半。

（2）相位比较法

由于两个换能器间有距离，这样在两个换能器处的信号有一相位差。当换能器间距离改变一个波长时，相位差改变2p。

实验中调节示波器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，使屏幕上显示出两个换能器端信号产生的李撒如图(见图

11)。然后，一边移动右边换能器，一边观察示波器上的李撒如图。当观察到两个信号的相位差改变2时，通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。

五、注意事项：

1．确保换能器S1和S2端面的平行。

2．信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率f0保持一致。

六、实验经过及数据记录：

（1）驻波法测声速

连线如图

调节各仪器到如下图所示状态（所示波峰峰值最大）：

读数：3.98mm ；

再调节声速测试仪，使所示波峰峰值重新达到最大

读数：9.28mm ；

（2）相位比较法

连线如图

调节各仪器到如下图所示状态：

读数：9.20mm ；

再调节声速测试仪，使所示波型与前一次相同：

读数：19.62mm ；

七、数据处理：

（1）驻波法

3.98mm-9.28mm-14.36mm-19.54mm-24.88mm-29.98mm-35.28mm-40.42mm-45.66mm-50.74mm-55.94mm+61.12mm+66.36mm+71.56mm+76.82mm+81.98mm+87.14mm+92.34mm+97.66mm +102.76mm+108.04mm +113.12mm）/121=5.20mm V??f?0.01039m?35000Hz?363.86m/s

(2)相位比较法

9.20mm-19.62mm-30.00mm-40.42mm-50.82mm-61.18mm+71.62mm+82.00mm +92.42mm+102.82mm+113.18mm +123.58mm) /36= 10.40mm

V??f?0.01040m?35000Hz?363.98m/s

八、小结（包括误差分析、结论、建议等）

误差分析： V0?331.45?1?

度。)

百分误差Er?363.98?346.28?100?5.11）/346.28=5.11% 346.28

误差可能的原因： 25?346.28m/s (设室温为25摄氏273.15

1、在实验进行的过程中，每次依照所示波调节声速测试仪时，都只能靠肉眼察，所以无法准确调到适当位置，存在较大误差。

2、声速测试仪信号源输出的波形可能不是我们想象的那么精确，导致最后所测声速偏大。

结论：通过超声波之间的干涉，可以通过测量和计算得到声速的值。 建议：本实验的完成很是顺利，故没有什么建议。

九、思考题

1．固定距离，改变频率，以求声速。是否可行？

答：可行。

在距离l一定时，均匀地改变频率，使所示波峰峰值达到最大亦可得声速。

2．各种气体中的声速是否相同？为什么？

答：不同。我们知道通常情况下气体声速V?

量和气体密度，声波的传播速度不同。 ?RTM,不同的气体具有不同的分子

第二篇：西安交通大学物理仿真实验报告(1)

物理仿真实验报告

良导体热导率的动态法测量

姓名： 裴维

班级：机测控91

学号：09013010

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实验简介：

在测量热导率的实验中，最普遍采用的方法是稳态法，即在保持被测样品各点温度不随时间变化的情况下测量热流，然后求出热导率，这种方法实验条件要求严格不易测准．而动态法就将难于测准的热学量的测量转变为容易测准的长度测量，从而显著降低测量误差．

实验原理：

实验采用热波法测量铜、铝等良导体的热导率。简化问题，令热量沿一维传播，周边隔热,如图1所示。根据热传导定律，单位时间内流过某垂直于传播方向上面积A的热量，即热流为

为截面积，文中?p?T??kA(1)，其中K为待测材料的热导率，A?t?x?T是温度对坐标x的梯度,负号表示热量流动方向与温度变化方?x

?q?q?2T向相反．dt时间内通过面积A流入的热量dq=[()x?()x?dx]dt?kA2dxdt ?t?t?x

若没有其他热量来源或损耗，据能量守恒定律，dt时间内流入面积A的热量等于温度升高需要的热量。 ?T)dt,其中C，ρ分别为材料的比热容与密度。所以任一时刻棒元热?tdq=(c?Adx

?T?T?2T?2Tk?k2dx(2)由此可得热流方程平衡方程为C?dx=D2(3)其中D=?t?tC??x?x

称为热扩散系数．式（3）的解将把各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度按简谐变化，即T=T0?Tmsin?t(4) 其中 2

Tm是热端最高温度，?为热端温度变化的角频率。另一端用冷水冷却，保持恒定低温

T=T0??x?Tme?，则式（3）的解也就是棒中各点的温度为2Dx?sin(?t??

2Dx)(5), 其中T0是直流成分， 是线性成分的

斜率，从式中可以看出：

1) 热端(x=0)处温度按简谐方式变化时，这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播，称为热波．

2) 热波波速：V=2D?(6)

3) 热波波长：??2?2D

?(7)

因此在热端温度变化的角频率已知的情况下，只要测出波速或波长就可以计算出

D．然后再由D=kk?计算出材料的热导率K．本实验采用.式（6）可得V2?2C?C?

V2C?V2C?则k=?T(8) 其中，f、T分别为热端温度按简谐变化的频率和周4?f4?

期．实现上述测量的关键是：1) 热量在样品中一维传播．2) 热端温度按简谐变化．

实验仪器：实验仪器结构框图见图2(a)，该仪器包括样品单元，控制单元和记录单元三大部分．实际仪器由两种工作方式：手动和程控．他们都含样品单元和控 3

制单元，不同的只是记录单元．前者用高精度x-y记录仪，后者用微机实现对整个系统的控制、数据的采集、记录和绘图，

仪器主机由用绝热材料紧裹侧表面的园棒状样品（实验取铜和铝两种样品）、热电偶列阵（传感器）、实现边界条件的脉动热源及冷却装置组成。

实验操作：

1． 打开水源，从出水口观察流量，要求水流稳定。

2． 打开电源开关，主机进入工作状态。

3． “程控”工作方式。

实验数据：

4

铜样品：铜的比热C：38

?K 密度?：8.92×103 Kg/m3

5

铝样品：铝的比热C：906J/Kg?K 密度?:2.702×103Kg

/m3

6

实验结果：铝样品的热导率为：307.84W/(m*k)

铜样品的热导率为：431.86W/(m*k)

思考题：

1．如果想知道某一时刻t时材料棒上的热波，即T~t曲线，将如何做？请画出大概形状。

答：观察测量状态显示中的运行时间，到待测时间，恩下操作栏中的暂停键即可得到某时刻材料棒上的热波。

2．为什么较后面测量点的T~t曲线振幅越来越小？

答：高次谐波随距离快速衰减，所以较后面测量点的的T~t曲线振幅越来越小。

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