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超声光栅测声速实验报告

超声光栅测声速实验报告
超声光栅测声速实验报告

西安理工大学实验报告

课程名称: 普通物理实验 专业班号: 应物091 组别: 2 姓名: 赵汝双 学号: 3090831033

实验名称:

超声光栅测液体中的声速 实验目的

1. 了解超声光栅产生的原理。

2. 了解声波如何对光信号进行调制

3. 通过对液体(非电解质溶液)中的声速的测定,加深对其中声学和光学物理概

念的理解。

实验原理 1. 超声光栅

光波在介质中传播时被超声衍射的现象,称为超声致光衍射(亦称声光效应)。 超声波作为一种纵波在液体中传播时,超声波的声压使液体分子产生周期性变化,促使液体的折射率也相应的作周期性变化,形成疏密波。此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时,就会被衍射,这一作用,类似于光栅,所以叫超声光栅。

超声波传播时,如前进波被一个平面反射,会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍,加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度,某时刻,驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点,使该节点附近形成密集区,而相邻波节处为质点稀疏处;半个周期后,这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区,而相邻波节处变为密集区。 在这些驻波中,稀疏区使液体的折射率减小,而压缩作用使液体折射率增加,在距离等于波长A的两点,液体的密度相同,折射率也相等,如图(1)所示。

实验日期:2011年4月7日 交报告日期:2011年4月14日 报告退发: (订正、重做) 教师审批签字:

图(1)

2.超声光栅册液体中的声速

如图2(a)所示,在透明介质中,有一束超声波沿方向传播,另一束平行光垂直于

超声波传播方向(

方向)入射到介质中,当光波从声束区中出射时,就会产生衍射现象。

图2

实际上由于声波是弹性纵波,它的存在会使介质(如纯水)密度在时间和空间上发生

周期性变化如图2(a),即

02(,)sin()s z t Z A

π

ρρρω=+?-

(1-1) 式中:z 是沿声波传播方向的空间坐标,ρ是t 时刻z 处的介质密度,0ρ为没有超声波存在时的介质密度,s ω叫是超声波的角频率,A 是超声波波长,ρ?是密度变化的幅度。因此介质的折射率随之发生相应变化,即

02(,)sin()s n z t n n Z A

π

ω=+?-

(1-2) 式中:0n 为平均折射率,n ?为折射率变化的幅度。考虑到光在液体中的传播速度(

)远大于声波的传播速度(

),可以认为在液体中,由超声波所形成的

疏密周期性分布,在光波通过液体的这段时间内是不随时间改变的,因此,液体的折射率仅随位置z 而改变如图2(b),即

(1-3)

由于液体的折射率在空间有这样的周期分布,当光束沿垂直于声波方向通过液体后,光波波阵面上不同部位经历了不同的光程,波阵面上各点的位相由下式给出:

(1-4)

式中:L 是声速宽度;是光波角频率;c 是光速。通过液体压缩区的光波波阵面将

落后于通过稀疏区的波阵面。原来的平面波阵面变得折皱了,其折皱情况由n(z)决定,见图3可见载有超声波的液体可以看成一个位相光栅,光栅常数等于超声波波长。

图3

3.声光衍射的分类

(1)当L

(为真空中光波波长)时,就会产生对称于零级的多级衍射,即

拉曼—奈斯(Raman-NRth)衍射,和平面光栅的衍射几乎无区别,满足下式的衍射光均在衍

射角于

的方向上产生极大光强:

z

A n n z n )2sin(

)(π

?--。z

A c

nL

c

L

n )2sin(

π

ωω????-

=

?+=

。 πλ2/2

A <<

sin k k A

λ

φ=

(k=……) (1-5) (2)当L

时,产生布拉格(Bragg)衍射,声光介质相当于一个体光栅,其衍射

光强只集中在满足布拉格公式( ……)的一级衍射方向,且

级不同时存在。

4.实验装置

由于布拉格衍射需要高频(几十兆赫兹)超声源,实验条件较为复杂,故本实验采用拉曼-奈斯衍射装置。实验装置连接如图4所示。超声池是一个长方形玻璃液槽,液槽的两通光侧面(窗口)为平行平面。液槽内盛有待测液体(如水)。换能器为压电陶瓷芯片,芯片两面引线与液槽上盖的接线柱相连。当压电陶瓷芯片由超声光栅仪输出的高频振荡信号驱动时,就会在液体中产生超声波。

1.钠光灯

2.平行光管

3.超声池

4.望远镜(去掉目镜筒)

5.测微目镜

6.压电陶瓷芯片

7.导线

8.频率显示窗

9.超声光栅仪10.调频旋钮

图4

单色平行光沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液体时,因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差,经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短,只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波,槽中的液体就相当于一个衍射光栅。途中行波的波长A相当于光栅常数。即

3,2,1±±± πλ2

2

A

<

图5超声光栅衍射光路

在调好的分光计上,由单色光源和和平行广管中的汇聚透镜L1与可调狭缝s组成平行光系统如图5所示。让垂直通过液槽(PZT),在玻璃槽的另一侧,用自准望远镜的物镜L2和测微目镜组成望远镜系统。若振荡器使PZT芯片发生超声振动,形成稳定驻波,从测微目镜即可观察到衍射光谱,从图5中可以看出,当

很小时,有:

其中,

为衍射光谱零级至k级的距离;f为焦距。所以超声波波长:

超声波在液体中传播的速度:

式中的ν是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率,为同一色光衍射条纹间距

实验仪器

超声光栅(超声池)、超声光栅仪、分光计、测微日镜、低压汞灯等

实验内容

1. 分光计的调节

同实验 《分光计测光波波长》

2. 采用低压汞灯做光源,将待测液体(本实验用水)注入液体槽内,液面高度以

槽侧面的液体高度刻线为准。

3.

将此液体槽(即超声池)放置于分光计载物台上,放置时调节使超声池两侧面

k φf l A k

k =

φsin k

l k k l f

k k A λφλ==

sin k l f A V ?=

λνk l ?

垂直于望远镜与平行光管的光轴。

4. 两只高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱,另一端接入超声光栅仪

电源箱的高频输出端,然后将液体槽的盖板盖在液体槽上。

5. 开启超声信号电源,从阿贝尔目镜观察衍射条纹,细微调节超声信号源的频率,

使电振荡频率和锆钛酸铅陶瓷片产生共振,此时衍射光谱更加清晰,观察视场内的衍射光谱左右级次亮度对称,直至可清晰观察到2-3级衍射条纹。 6. 取下阿贝尔目镜,换上测微目镜,调节目镜,使清晰看到衍射条纹,利用测微

目镜逐级测量其位置读数(例如:从-3,……,0,……,+3),再用逐差法求出其条纹间距的平均值。 7. 声速计算公式

式中 ――――光波波长;

――――共振时频率计上的读数;

f ――――—望远镜目镜焦距(仪器数据); ――――同一颜色的衍射条纹间距。

实验数据

温度: 25℃

公式为: 其中: 11.63M H z ν= 理论值: V 。=1497 m/s (25℃)

L2焦距f=170mm ;汞灯波长(其不确定度忽略不计)分别为:汞蓝光435.8nm ,汞绿光546.1nm ,汞黄光578.0nm ,(双黄线平均波长)

样品:水

测微目镜中衍射条纹位置读数,小数点后第三位为估算值:(mm )

用逐差法计算各色广衍射条纹平均间距及标准差:单位:(mm )

k c l f V ?=/λνλν

k l ?k c

l f V ?=/λνλ))

()()()((121

30211203----+-+-+-=l l l l l l l l l k ?

样品:乙醇 公式为:

11.69MHz ν=

理论值:1168m/s

L2焦距f=170mm ;汞灯波长(其不确定度忽略不计)分别为:汞蓝光435.8nm ,汞绿光546.1nm ,汞黄光578.0nm ,(双黄线平均波长)

计算各色广衍射条纹平均间距及标准差:单位:(mm )

实验注意事项

1. 实验过程中要防止震动,也不要碰触连接超声池和高频电源的两条导线。因为导线分布电容的变化会对输出电频率有微小影响。只有压电陶瓷片表面与对面的玻璃槽壁表面平行时才会形成较好的表面驻波,因而实验时应将超声池的上盖盖平。

2.一般共振频率在11.3MHz 左右,WSG-1超声光栅仪给出8.5-12MHz 可调范围。在稳定共振时,数字频率计显示的频率值应是稳定的,最多只有末尾1—2位在变动。要特别注意不要使频率长时间调在12MHz 以上,以免振荡线路过热.

3.提取液槽时应拿两端面,不要触摸两侧表面通光部位,以免污染,如已有污染,可用酒精乙醚清洗干净,或镜头纸擦净。实验时液体中会有热量产生导致液体挥发,应及时补充液体至正常液面线。而且实验完毕后要及时把液体倒掉。

k

c l f V ?=/λνλ))

()()()((121

30211203----+-+-+-=l l l l l l l l l k ?

超声光栅测液体中的声速 实验报告

实验设计说明书题目:利用超声光栅测液体中的声速 院部:理工科基础教学部 专业班级:物理学(创新实验班)1班 学生姓名:某某某 学号:41106XXX 实验日期: 2013年5月21日

超声光栅测液体中的声速 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)学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。 (2)测定超声波在液体中的传播速度。 (3)了解超声波的产生方法。 二、 仪器用具 分光计,超声光栅盒,高频振荡器,数字频率计,纳米灯。 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。 正文: 光声效应的发现无疑是物理学两大分支的又一次融合,利用超声光栅测量液体中的声速就是这一物理现象的应用。此次实验的仪器包括超声光栅池、超声仪、分光计、测微目镜以及光源。 由于声波是纵波,所以当超声波在液体(本实验用的是水)传播时,声波的振动会引起液体密度空间分布的周期性变化(如右图),进而导致液体的折射率亦呈周期性分布(如右图)。如果在某一时间t 0,液体密度的空间函数为: ()0s 02sin x t x π ρρρωλ??=+?- ? ?? ? ① 其中,0ρ是液体的静态密度,ρ?是密度的变化幅度,s ω是超声波的角频率,λ是超声波长,x 是超声波的传播方向,也是密度变化的空间方向;此时,折射率 的空间函数为:()0s 02sin n x n n t x πωλ? ?=+?-? ?? ?②,其中0n 为液体的静态折射率

声速的测定实验报告

声速的测定实验报告 1、实验目的 (1)学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。 (2)进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。 (3)学会用逐差法处理数据。 2、实验仪器 超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B 、示波器ST16B 。 3、实验原理 3.1 实验原理 声速V 、频率f 和波长λ之间的关系式为λf V =。如果能用实验方法测量声波的频率f 和波长λ,即可求得声速V 。常用的测量声速的方法有以下两种。 3.2 实验方法 3.2.1 驻波共振法(简称驻波法) S 1发出的超声波和S 2反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的 频率和驻波系统的固有频率相等时,此驻波的振幅才达到最大值,此时的频率为共振频率。 驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关,还取决于边界条件,在声速实验中, S 1、S 2即为两边界,且必定是波节,其间可以有任意个波节,所以驻波的共振条件为: Λ Λ3,2,1,2 ==n n L λ (1) 即当S 1和S 2之间的距离L 等于声波半波长的整数倍时,驻波系统处于共振状态,驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当L 不满足(1)式时,驻波系统偏离共振状态,驻波振幅随之减小。 移动S 2,可以连续地改变L 的大小。由式(1)可知,任意两个相邻共振状态之间,即 S 2所移过的距离为: () 22 2 11λ λ λ = ? -+=-=?+n n L L L n n (2) 可见,示波器上信号幅度每一次周期性变化,相当于L 改变了2λ。此距离2λ 可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得,频率可由低频信号发生器上的频率计读得,根据f V ?=λ,就 可求出声速。 3.2.2 两个相互垂直谐振动的合成法(简称相位法) 在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。其轨迹方程为: ()()φφφφ122122122 12 2-=-- ???? ??+???? ??Sin Cos A A XY A Y A X (5) 在一般情况下,此李沙如图形为椭圆。当相位差 12=-=?φφφ时,由(5)式,得 x A A y 12=,即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线[参见图16—2(a)]。

液体中超声波声速的测定实验报告

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N 0表示介质的平均折射率,t 时刻折射率的空间分布为 ()()y K t N N t y N s s -?+=ωcos ,0 式中ΔN 是折射率的变化幅度;ωs 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λs 的关系为K s =2π/λs 。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 ()y K t A s s -=ωξcos 1 ()y K t A s s +=ωξcos 2 其合成波为 ()()y K t A y K t A s s s s +=+-=+=ωξωξξξcos cos 121

声速测量实验报告

声速测量实验报告 【实验目的】 1.学会测量超声波在空气中的传播速度的方法。 2.理解驻波和振动合成理论。 3.学会用逐差法进行数据处理。 4.了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。 【实验仪器】 信号发生器、双踪示波器、声速测定仪。 【实验原理】 声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为: 可见,只要测出声波的频率f和波长 ,即可求出声速。f可由声源的振动频率得到,因此,实验的关键就是如何测定声波波长。 根据超声波的特点,实验中可以采用驻波法和相位法测出超声波的波长。 1. 驻波法(共振干涉法) 如右图所示,实验时将信号发生器输出的 正弦电压信号接到发射超声换能器上,超声发 射换能器通过电声转换,将电压信号变为超声 波,以超声波形式发射出去。接收换能器通过 声电转换,将声波信号变为电压信号后,送入示波器观察。 由声波传播理论可知,从发射换能器发出一定频率的平面声波,经过空气传播,到达接收换能器。如果接收面和发射面严格平行,即入射波在接收面上垂直反射,入射波与反射波相互干涉形成驻波。此时,两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长的整数倍。在声驻波中,波腹处声压(空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强)最小,而波节处声压最大。当接收换能器的反射界面处为波节时,声压效应最大,经接收器转换成电信号后从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值,所以可从接收换能器端面声压的变化来判断超声波驻波是否形成。 移动卡尺游标,改变两只换能器端面的距离,在一系列特定的距离上,媒质中将出现稳定的驻波共振现象,此时,两换能器间的距离等于半波长的整数倍,只要我们监测接收换能器输出电压幅度的变化,记录下相邻两次出现最大电压数值时(即接收器位于

声速的测量(超声)实验报告

声速的测量(超声) 一、实验目的: ①用共振干涉法求超声声速; ②用相位比较法求超声声速。 二、实验仪器: 超声声速测量仪、信号发生器、数字频率计、同轴电缆、示波器、游标卡尺、压电陶瓷超声换能器。 三、实验原理: ①声速的测量: 利用公式νλ,测量声波的频率ν和波长λ去求声速v。 ②声压驻波:已知两列频率、振幅和振动方向相同的平面简谐波,向相反的方向传播时,叠加的合成波就是驻波,在驻波场中质点振幅最大处为波腹,质点位移振幅近似为零处为波节,相邻波腹或波长的距离为半波长(λ/2)。 ③声波波长的测量:接收器S2输出的信息有两部分:1、驻波的信息,其振幅随S2的移动而变化,在共振时,S1、S2的距离为l:,,,此时振幅较大。2、类 似行波的信息,S1、S2用的相位差,也随着S2的移动而变化,每移动λ/2,相位差改变Π(即180°)。利用这两种信息均可测量声波波长λ。(1)共振干涉法;(2)相位比较法。 四、实验方法: ①用共振干涉法测声速: 示波器的X端用内部扫描,调内部扫描与S2的信息同步,示波器上显示的是S2的交流信号按时间展开的图形,移动S2示波器上图形有时很大,有时很小。在S2移动范围内,仔细测多个出现极大值时S2的位置l1、l2、……、l n,用逐差法求出λ,再求声速v。 ②用相位比较法测声速: 示波器的X端用内部扫描,调内部扫描与S2的信息同步,移动S2示波器上的图形会从椭圆变换到一条直线,再从直线变换到一个反方向的椭圆,往复变换。在S2移动范围内,仔细测多个出现直线时S2的位置l1、l2、……、l n,用逐差法求出λ,再求声速v。 ③记录实验室的实温t。 ④用当前实温和公式求出声速,与以上两种方法求出的声速进行比较, 分析。 五、数据处理: 温度:34℃频率:37500Hz 共振干涉法(单位:mm): 218.98 213.58 209.20 204.56 199.62 194.92 190.64 185.72 180.62 176.52 相位比较法(单位:mm): 174.60 169.60 164.80 160.68 155.90 151.22 146.28 141.58 136.68 131.70 共振干涉法: λ

超声波测声速实验报告

实验名称:超声波测声速实验报告 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。

声速测量实验报告

大学物理实验课教案 俸永格(136********) 教学题目:声速的测量 教学对象:10级电子信息班、10动医学班、10级农机班、10级植保班。授课地点:海南大学基础实验楼2610室。 教学重点:让学生了解测量超声波在媒介中传播速度的实验设计思想和实验方法。 教学难点:让学生熟练掌握双踪示波器、SV5/7测试仪、SV8信号源的协调使用并完成两正交信号相位差的多次测量。 一实验目的: (1)加深对驻波及振动合成等理论知识的理解, (2)掌握用驻波法、相位法测定超声波在媒介中的传播速度, (3)了解压电换能器的工作原理,进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示波器观测物理参数的综合运用能力。 二实验仪器: GW-680双踪示波器一台,SV8信号发生器一台,SV7测试仪一台,同轴电缆若干。 三实验原理 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波(频率超过2×104Hz的声波)传播速度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。 (一)驻波法测量声速基本原理 如图所示为两列同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形,其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹(节)

间距X的测量便可实现对波长λ的间接测量,结合对驻波谐振频率f的测量便可间接求算声波的传播速度v。 v = λ×f λ=2X v = 2X×f 原理图示1(驻波法原理图) (二)相位法测量声速基本原理 请同学们自行完成!要求体现以下两个方面的内容! (1)简谐振动正交合成的基本原理, (2)利用李萨如图形的相位差特点间接测量声速的基本原理。 四实验内容与步骤 (一)驻波法测声速 实验连线图示1(驻波法) (1)了解测试仪的基本结构,调节两个换能器的间距5cm左右。 (2)初始化示波器面板获得扫描线。 (3)按图示1正确连线,将示波器的扫描灵敏度与通道1垂直灵敏度旋钮分别调至适当档位,缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹位置

超声波测声速汇总

超声波测声速 声波是一种在弹性介质中传播的机械波,它是纵波,其振动方向与传播方向一致.声速是描述声波在介质中传播特性的一个基本物理量,它与介质的特性及状态因素有关,因而通过介质中声速的测定,可以了解介质的特性或状态变化。例如,测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面等等,这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。 频率低于20Hz的声波称为次声波;频率在20Hz~20kHz的声波可以被人听到,称为可闻声波;频率在20kHz以上的声波称为超声波.超声波的传播速度就是声波的速度.由于超声波具有波长短、易发射、能定向传播等优点,在超声波段进行声速测量是比较方便的. 本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度。 [实验目的] 1.学习相位比较法测定声速的原理及方法.加深对振动合成等理论知识的理解 2.了解压电换能器的工作原理和功能,进一步熟悉信号发生器、示波器的使用 3.练习使用逐差法处理数据 [实验仪器] 声速测定组合仪,信号发生器,示波器 声速测量仪: 由发射器、接收器、游标卡尺组成。当一交变正弦电压信号加在发射器上时,由于压电晶片的逆压电效应,产生机械振动发生超声波。可移动的接收器,将接收的声振动转化为电振动信号输至示波器。接收器的位置由游标卡尺读数确定。 图1. 声速测量仪 使用方法:

左击或右击换能器,可以改变换能器面与水平方向的夹角。按下右边换能器的拖动,可以改变两个换能器之间的的距离。点击或按下窗体中上部的微调按钮,可以缓慢改变两个换能器之间的距离。 信号发生器: 图2. 信号发生器 它是一种多功能信号发生器,可以输出正弦波、方波、三角波三种波形的交变信号,信号频率范围为10Hz—2000kHz,既可分档调节,又可连续调节。信号幅度可连续调节。 1.频率显示窗口:显示输出信号的频率或外测频信号的频率,用五位数字显示信号的频率,且频率连续可调(输出信号时)。 2.幅度显示窗口:显示函数输出信号的幅度,由三位数字显示信号的幅度。 3.输出波形,对称性调节旋钮(SYM):调节此旋钮可改变输出信号的对称性。当电位器处在关闭或者中心位置时,则输出对称信号。输出波形对称调节器可改变输出脉冲信号空度比,与此类似,输出波形为三角或正弦时可使三角波调变为锯齿波, 正弦波调变为正与负半周分别为不同角频率的正弦波形,且可移相180?。(仿真实验中使用方法:右键单击进行顺时针旋转,左键打击进行逆时针旋转。) 4.速率调节旋钮(WIDTH):调节此电位器可以改变内扫描的时间长短。在外测频时,逆时针旋到底(绿灯亮),为外输入测量信号经过低通开关进入测量系统。 5.扫描宽度调节旋钮(RATE):调节此电位器可调节扫频输出的扫频范围。在外测频时,逆时针旋到底(绿灯亮),为外输入测量信号经过衰减“20dB”进入测量系统。 6.外部输入插座(INPUT):当“扫描/计数键”(13)功能选择在外扫描外计数状态时,外扫描控制信号或外测频信号由此输入。 7. TTL信号输出端(TTL OUT):输出标准的TTL幅度的脉冲信号,输出阻抗为600Ω。 8.函数信号输出端:输出多种波形受控的函数信号,输出幅度20Vp–p(1MΩ负载),10Vp–p (50Ω负载)。

声速测量实验报告.doc

声速测量实验报告 只有通过实验才能知道结果,那么,下面是我给大家整理收集的声速测量实验报告,供大家阅读参考。 声速测量实验报告1 实验目的:测量声音在空气中的传播速度。 实验器材:温度计、卷尺、秒表。 实验地点:平遥县状元桥东。 实验人员:爱物学理小组 实验分工:张x——测量时间 张x——发声 贾x——测温 实验过程: 1 测量一段开阔地长; 2 测量人在两端准备; 3 计时员挥手致意,发声人准备发声; 4 发生人向上举手,同时发声,计时员计时(看到举手始,听到声音止) 5 多测几次,记录数据。 实验结果: 时间17∶30 温度21℃

发声时间 0.26″ 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。 声速测量实验报告2 一实验目的: (1)加深对驻波及振动合成等理论知识的理解, (2)掌握用驻波法、相位法测定超声波在媒介中的传播速度, (3)了解压电换能器的工作原理,进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示波器观测物理参数的综合运用能力。 二实验仪器: 双踪示波器一台,信号发生器一台,测试仪一台,同轴电缆若干。 三实验原理 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波(频率超过2×10Hz 的声波)传播速度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。 (一)驻波法测量声速基本原理 如图所示为两列同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形,其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹(节)间距X的测量便可实现对波长λ的间接测量,结合对驻波谐振频率f的测量便可间接求算声波的传播速度v。 v = λ × f λ=2X v = 2X × f

大学物理仿真实验实验报告 超声波测声速

大学物理仿真实验实验报告 试验日期: 实验者: 班级: 学号: 超声波测声速 一实验原理 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。 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……) 二实验仪器 1)声速的测量实验仪器 包括超声声速测定仪、函数信号发生器和示波器 2)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。 3)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。 4)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。

*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f 0保持一致。 三 数据记录与处理 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 i 1i (cm ) i+6 1i+6(cm ) λi = (1i+6-1i ) /3(cm ) 1 9.060 7 12.232 1.057 2 9.574 8 12.774 1.067 3 10.122 9 13.316 1.065 4 10.652 10 13.820 1.056 5 11.178 11 14.352 1.058 6 11.700 12 14.846 1.048 λ的平均值:==∑=6 1 61i i λλ 1.0585(cm ) λ的不确定度: ) 1()(6 1 2 --= ∑=i i S i i λλ λ=0.002(cm ) 因为,λi = (1i+6-1i ) /3,Δ仪=0.02mm 所以,=仪?= 3 32λu 0.000544(cm ) =+=22λ λλσu S 0.021(mm ) 计算声速: 50.354==λυf (m/s ) 计算不确定度: (m/s) 3)()((kHz) 2.03 %122=+==?= f f f f λσσσσλυ 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) i 1i (cm ) i+7 1i+7(cm ) λi = (1i+7-1i )/7(cm ) 谐振频率 1 8.16 2 8 15.926 1.109 f=32.0kHz 2 9.282 9 17.050 1.110

超声波测声速实验报告

实验名称:超声波测声速实验报告 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。 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。 如有侵权请联系告知删除,感谢你们的配合!

超声光栅测声速实验报告

西安理工大学实验报告 课程名称: 普通物理实验 专业班号: 应物091 组别: 2 姓名: 赵汝双 学号: 33 实验名称: 超声光栅测液体中的声速 实验目的 1. 了解超声光栅产生的原理。 2. 了解声波如何对光信号进行调制 3. 通过对液体(非电解质溶液)中的声速的测定,加深对其中声学和光学物理概 念的理解。 实验原理 1. 超声光栅 光波在介质中传播时被超声衍射的现象,称为超声致光衍射(亦称声光效应)。 超声波作为一种纵波在液体中传播时,超声波的声压使液体分子产生周期性变化,促使液体的折射率也相应的作周期性变化,形成疏密波。此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时,就会被衍射,这一作用,类似于光栅,所以叫超声光栅。 超声波传播时,如前进波被一个平面反射,会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍,加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度,某时刻,驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点,使该节点附近形成密集区,而相邻波节处为质点稀疏处;半个周期后,这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区,而相邻波节处变为密集区。 在这些驻波中,稀疏区使液体的折射率减小,而压缩作用使液体折射率增加,在距离等于波长A的两点,液体的密度相同,折射率也相等,如图(1)所示。 成绩 实验日期:2011年4月7日 交报告日期:2011年4月14日 报告退发: (订正、重做) 教师审批签字:

图(1) 2.超声光栅册液体中的声速 如图2(a)所示,在透明介质中,有一束超声波沿方向传播,另一束平行光垂直于 超声波传播方向( 方向)入射到介质中,当光波从声束区中出射时,就会产生衍射现象。 图2 实际上由于声波是弹性纵波,它的存在会使介质(如纯水)密度在时间和空间上发生 周期性变化如图2(a),即 02(,)sin()s z t Z A π ρρρω=+?- (1-1) 式中:z 是沿声波传播方向的空间坐标,ρ是t 时刻z 处的介质密度,0ρ为没有超声波存在时的介质密度,s ω叫是超声波的角频率,A 是超声波波长,ρ?是密度变化的幅度。因此介质的折射率随之发生相应变化,即

大学物理实验:超声声速测定

超声声速测定 声波特性的测量,如频率、波长、声速、声压衰减、相位等,是声波检测技术中的重要内容。特别是声速的测量,不仅可以了解媒质的特性而且还可以了解媒质的状态变化,在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的实用意义。例如,声波测井、声波测量气体或液体的浓度和比重、声波测量输油管中不同油品的分界面等等。 “声速的测量”是一个综合性声学实验。实验中采用压电陶瓷超声换能器通过驻波法(共振干涉法)和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度,这是一个非电量电测方法的应用。通过这个实验可以重点学习如下内容:(1)实验方法:非电量的电测方法;测量声速的驻波法和相位比较法。(2)测量方法:利用示波器测量电信号的极大值和观察李萨如图形测量相位差的方法。(3)数据处理方法:求声波波长的逐差法。(4)仪器调整使用方法:双踪示波器和函数信号发生器的正确调节和使用方法。 【实验目的】 1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。 2.了解压电换能器的功能。 3.学习用逐差法处理数据。 【实验仪器】 SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等

【实验原理】 频率介于20Hz ~20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波,介于20kHz ~500MHz 的称为超声波,超声波的传播速度就是声波的传播速度,而超声波具有波长短,易于定向发射和会聚等优点,声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz ~60kHz 之间。在此频率范围内,采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。 根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ,其中υ为波速, λ为波长,f 为频率。 图4-5-1共振法测量声速实验装置 在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。声波的频率f 可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。 图4-5-2 相位比较法测量声速实验装置 1.相位比较法 实验装置接线如图4-5-2所示,置示波器功能于X -Y 方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2,合成振动方程为:

声速的测量实验报告

声速的测量实验报告 声速的测量实验报告 1 实验目的:测量声音在空气中的传播速度。 实验器材:温度计、卷尺、秒表。 实验地点:平遥县状元桥东。 实验人员:爱物学理小组 实验分工:张灏、成立敬测量时间 张海涛发声 贾兴藩测温 实验过程: 1 测量一段开阔地长; 2 测量人在两端准备; 3 计时员挥手致意,发声人准备发声; 4 发生人向上举手,同时发声,计时员计时(看到举手始,听到声音止) 5 多测几次,记录数据。 实验结果: 时间 17∶30 温度 21℃ 发声时间 0.26 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。

声速的测量实验报告2 实验目的: 1)探究影响声速的因素,超声波产生和接收的原理。 2)学习、掌握空气中声速的测量方法 3)了解、实践液体、固体中的声速测量方法。 4)三种声速测量方法作初步的比较研究。 实验仪器: 1)超声波发射器 2)超声波探测器 3)平移与位置显示部件。 4)信号发生器: 5)示波器 实验原理: 1)空气中: a.在理想气体中声波的传播速度为 v88 (式中8088cp cV (1) 称为质量热容比,也称比热[容]比,它是气体的质 量定压热容cp与质量定容热容cV的比值;M 是气体的摩尔质量,T是绝对温度,R=8.314472(11.710-6)Jmol-1K-1为摩尔气体常量。) 标准干燥空气的平均摩尔质量为Mst =28.9668710-3kg/mol b.在标准状态下(T088273.15 K,p88101.388kPa),干燥空气中的声速 为v0=331.5m/s。在室温t℃下,干燥空气中的声速为 v88v0 (2)

超声波测距实验报告

电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪

目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)

摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串,然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波,同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离,显示当前距离与温度,按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在生产生活中得到广泛的应用,例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词:超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪,实现以下功能: (1)测量距离要求不低于2米; (2)测量精度±1cm; (3)超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应,将机械能与电能相互转换,并利用波的特性,实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,与环境条件也有关: 在气体中,超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关,在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中,t为环境温度,单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在空气中传播的距离较远,因而超声波

声速的测量实验报告.doc

声速的测量实验报告 不会写声速的测量实验报告的朋友,下面请看我给大家整理收集的声速的测量实验报告,仅供参考。 声速的测量实验报告1 实验目的:测量声音在空气中的传播速度。 实验器材:温度计、卷尺、秒表。 实验地点:平遥县状元桥东。 实验人员:爱物学理小组 实验分工:张灏、成立敬——测量时间 张海涛——发声 贾兴藩——测温 实验过程: 1 测量一段开阔地长; 2 测量人在两端准备; 3 计时员挥手致意,发声人准备发声; 4 发生人向上举手,同时发声,计时员计时(看到举手始,听到声音止) 5 多测几次,记录数据。 实验结果: 时间17∶30 温度21℃

发声时间 0.26″ 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。 声速的测量实验报告2 实验目的: 1)探究影响声速的因素,超声波产生和接收的原理。 2)学习、掌握空气中声速的测量方法 3)了解、实践液体、固体中的声速测量方法。 4)三种声速测量方法作初步的比较研究。 实验仪器: 1)超声波发射器 2)超声波探测器 3)平移与位置显示部件。 4)信号发生器: 5)示波器 实验原理: 1)空气中: a.在理想气体中声波的传播速度为 v88 (式中8088cp cV (1) 称为质量热容比,也称"比热[容]比",它是气体的质 量定压热容cp与质量定容热容cV的比值;M 是气体的摩尔质量,T 是绝对温度,R=8.314472(1±1.7×10-6)Jmol-1K-1为摩尔气体常量。)

标准干燥空气的平均摩尔质量为Mst =28.966�8�710-3kg/mol b.在标准状态下 (T0�8�8273.15 K,p�8�8101.3�8�8kPa),干燥空气中的声速 为v0=331.5m/s。在室温t℃下,干燥空气中的声速为 v88v0 (2) (T0=273.15K) c.然而实际空气总会有一些水蒸气。当空气中的相对湿度为r时,若气温为t℃时饱和蒸气压为pS,则水汽分压为rps。经过对空气平均摩尔质量 M 和质量热容比8�0 的修正,在温度为t、相对湿度为r 的空气中,声速为 (在北京大气压可近似取p�8�4 101kPa;相对湿度r 可从干湿温度计上读出。温度t℃时的饱和水汽压ps可用 lgps�8�810.286�8�2 d.式(3)的计算结果与实际的超声声速真值可能有一定偏差。 引起偏差的原因有: ~状态参量的测量误差 ~理想气体理论公式的近似性 实验方法: A. 脉冲法:利用声波传播时间与传播距离计算声速 实验中用脉冲法测量,具体测量从脉冲声源(声发射器)到声探测器

大学物理实验超声波速测量实验报告

大学物理实验超声波速测量实验报告 一实验目的 1.了解超声波的物理特性及其产生机制; 2.学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据; 3.测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数; 4.并运用超声波检测声场分布。 5.学习超声波产生和接收原理, 6.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。 7.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<20Hz)、声波(20Hz≤f≤20kHz)、超声波(f>20kHz)和特超声波(f≥10MHz),如下图。 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 μrRT =V (1) 式中R 为气体普适常量(R=),γ是气体的绝热指数(气体比定压热容与比定容热容之比),μ为分子量,T 为气体的热力学温度,若以摄氏温度t 计算,则:t T T +=0 K T 15.2730= 代入式(1)得, 00001V 1)(V T t T t T rR t T rR ++?+===μμ (2) 对于空气介质,0℃时的声速0V = 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: s m p p T t w /)319.01)(1(45.331V 0++= (3) 式中w p 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l ,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,l 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/λ),就可以用λv =V 计算声速。 声压变化与接收器位置的关系:

大物实验报告声速测定(DOC)

声速测定 引言:本实验使用了超声声速测定仪、低频信号发生器(DF1027B)、示波器 (ST16B)设计了共振干涉法、相位比较法、时差法来进行超声速的测定,并对实验数据进行处理、分析,最终得出声速,并与理论值进行比较。 关键词:声速测定。 Abstract:This experiment uses the ultrasonic velocity measurement instrument (DF1027B), low frequency signal generator, oscilloscope (ST16B) design the resonance interferometry, phase comparison method, the time difference method for supersonic were measured, and the experimental data processing and analysis, finally obtains the speed of sound, and compared with the theoretical value. 一、实验目的 1、了解超声波换能器的工作原理和功能; 2、学习不同方法测定声速的原理和技术; 3、熟悉测定仪和示波器的调节和使用; 4、测定声速在空气中的传播速度。 二、仪器设备 ZKY_SS超声声速测定仪、低频信号发生器、示波器。 三、实验原理 由波动理论得知,声波的传播速度v与声波频率和波长之间的关系为。所以只要测出声波的频率和波长,就可以求出声速。其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出,波长则可用共振法和相位比较法进行测量。时差法可通过测量某一定间隔距离声音传播的时间来测量声波的传播速度。 压电陶瓷换能器 本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换。它主要由压电陶瓷环片、轻金属铅(做成喇叭形状,增加辐射面积)和重金属(如铁)组成。压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。在压电陶瓷片的两个底面加上正弦交变电压,它就会按正弦规律发生纵向伸缩,从而发出超声波。同样压电陶瓷可以在声压的作用下把声波信号转化为电信号。压电陶瓷换能器在声—电转化过程中信号频率保持不变。 如图1所示,S1作为声波发射器,它把电信号转化为声波信号向空间发射。S2是信号接收器,它把接收到的声波信号转化为电信号供观察。其中S1是固定的,而S2可以左右移动。

超声光栅实验及数据处理

超声光栅实验 1.了解超声致光衍射的原理。 2.利用声光效应测量声波在液体中的传播速度。 【实验原理】 光波在液体介质中传播时被超声波衍射的现象,称为超声致光衍射(亦称声光效应),这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。超声波调制了液体的密度,使原来均匀透明的液体,变成折射率周期变化的“超声光栅”,当光束穿过时,就会产生衍射现象,由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。并且,由于激光技术和超声技术的发展,使声光效应得到了广泛的应用。如制成声光调制器和偏转器,可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向,它在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。 压电陶瓷片(PZT)在高频信号源(频率约10MHz)所产生的的交变电场的作用下,发生周期性的压缩和伸长振动,其在液体中的传播就形成超声波,当一束平面超声波在液体中传播时,其声压使液体分子作周期性变化,液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩,这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布,促使液体的折射率也做同样分布,形成了所谓疏密波,这种疏密波所形成的密度分布层次结构,就是超声场的图象,此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时,平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的,为了使实验条件易实现,衍射现象易于稳定观察,实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察,由于驻波振幅可以达到行波振幅的两 倍,这样就加剧了液体疏密变化的程度。驻波形 成以后,某一时刻t,驻波某一节点两边的质点 涌向该节点,使该节点附近成为质点密集区,在 半个周期以后,t+T/2,这个节点两边的质点又 向左右扩散,使该波节附近成为质点稀疏区,而 相邻的两波节附近成为质点密集区。 图1 为在t和t+T/2(T为超声振动周期) 两时刻振幅y、液体疏密分布和折射率n的变化 分析。由图1可见,超声光栅的性质是,在某一 时刻t,相邻两个密集区域的距离为λ,为液体 中传播的行波的波长,而在半个周期以后, t+T/2。所有这样区域的位置整个 漂移了一个距离Λ/2,而在其它时刻,波的现象图1 则完全消失,液体的密度处于均匀状态。超声场形成的层次结构消失,在视觉上是观察不到的,当光线通过超声场时,观察驻波场

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