1、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 熟練掌握用共振干涉法和相位比較法測量超聲波在空氣中傳播速度。2. 學(xué)會(huì)運(yùn)用逐差法處理測量數(shù)據(jù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】我們知道，聲波在空氣中的傳播速度v與其頻率f和波長的關(guān)系為=f· （13.1）那么,如果測得聲波的頻率f和波長，就可以求出聲波速度v，在本實(shí)驗(yàn)中,聲波頻率f可直接由超聲信號源顯示的數(shù)值讀出，所以我們的主要任務(wù)就是測出聲波的波長。1. 共振干涉法（駐波法）實(shí)驗(yàn)裝置如圖13.3所示，圖上S1和S2分別表示兩只超聲壓電轉(zhuǎn)換器，S1為發(fā)射器，當(dāng)它被超聲信號源的電信號激勵(lì)后由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生受迫振動(dòng)，振動(dòng)頻率與電信號激勵(lì)頻率相同，并向周圍空氣定向發(fā)出一近似平面波。

2、S2為超聲接收轉(zhuǎn)能器，它受迫振動(dòng)后產(chǎn)生壓電效應(yīng)輸出電信號，電信號的頻率與超聲波的振動(dòng)頻率相同。VERT MODESBZ-A信號源 CH1 X-Y (OFF) 34562 Hz 頻率調(diào)節(jié)開關(guān) 輸出 粗調(diào) 細(xì)調(diào) CH1 CH2 CS4125 圖13.3 干涉法（駐波法）測量原理圖圖13.3 共振干涉法（行波法）測量原理圖當(dāng)S1和S2兩個(gè)端面互相平行時(shí)，超聲波從S1傳至S2端面將被反射，產(chǎn)生干涉，形成駐波。當(dāng) （n=0,1,2,） (13.2)振幅為極大值，產(chǎn)生共振，這時(shí)接收器S2收到的聲壓為極大值，經(jīng)過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換后的電信號輸出也為極大值，而相鄰兩極大值之間的距離均為/2. 在實(shí)驗(yàn)過程中，由于各種

3、損耗，各極大值會(huì)隨著L的增大而逐漸減小，我們只要測出接收轉(zhuǎn)能器 S2在各個(gè)相鄰極大值的位置，即可求得波長。用游標(biāo)卡尺依次測出16個(gè)極大值的位置，并用逐差法處理數(shù)據(jù)：由 (13.3)得 (13.4)2. 相位比較法（行波法）實(shí)驗(yàn)裝置如圖13.4所示。聲波輸出源與接收點(diǎn)存在著相位差，這相位差我們可以通過比較發(fā)射換能器的激勵(lì)信號與接收換能器輸出電信號的相位關(guān)系得出。當(dāng)接收點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)的距離變化等于一個(gè)波時(shí)，接收點(diǎn)輸出的信號與波源的相差也正好變化一個(gè)周期，即 SBZ-A信號源 X-Y (ON) 34562 Hz頻率調(diào)節(jié)開關(guān) 輸出 粗調(diào) 細(xì)調(diào) CH1 CH2 圖13.4 相位比較法（行波法）測量原理圖Df

4、=0 p/2 p 3p/2 2p圖13.5 幾種相位差時(shí)的李薩如圖形判別相位差本實(shí)驗(yàn)利用李薩如圖形。將接收器S2輸出的信號加在示波器的Y接口（CH1接口），超聲信號源輸出的信號加在示波器的X接口（CH2接口），當(dāng)相位差是Df=2p(n=0,1,2,) (13.5)李薩如圖形為一傾斜的直線。具有不同相位差的X、Y軸輸入構(gòu)成的李薩如圖形如圖13.5所示。如果移動(dòng)接收換能器,觀察每反相一次（即f=p）S2的位置，即可用相鄰兩個(gè)S2的位置之差得出其對應(yīng)的半個(gè)波長l/2。與共振干涉法相類似，測出16個(gè)相應(yīng)數(shù)據(jù)，并用逐差法處理之?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟】1. 干涉法測 按圖13.3接好線路,注意信號源“+”輸出

5、線的紅色插頭與測速儀S1的紅色插孔相接,黑色插頭與黑色插孔相接,接收換能器S2的輸出信號接到示波器的Y接口(CH1接口)。 調(diào)整超聲聲速儀S1固定環(huán)上的緊固螺釘，使S1的端面與卡尺垂直，再調(diào)節(jié)S2端面，使其與S1端面平行，并位于距S1端面3050mm處。 接通示波器預(yù)熱，將示波器的Y軸靈敏度和掃描靈敏度旋鈕調(diào)節(jié)在適當(dāng)檔位，XY按鍵打在“OFF”位置。（示波器的其他旋鈕的使用請參考實(shí)驗(yàn)三）。 將超聲信號源的頻率“粗調(diào)”旋鈕反時(shí)針旋至最左邊，“細(xì)調(diào)”旋鈕旋至中間位置。接通超聲信號源電源，則超聲信號源屏上有輸出頻率顯示。順時(shí)針細(xì)心旋轉(zhuǎn)頻率“粗調(diào)”旋鈕并同時(shí)觀察示波器熒光屏，使S2的輸出盡量大，這時(shí)串

6、聯(lián)在回路中的信號燈發(fā)亮（無信號燈的測速儀只觀察示波器的熒光屏），再左右調(diào)整頻率“細(xì)調(diào)”旋鈕使S2輸出的信號達(dá)到最大值，這時(shí)換能器處于諧振動(dòng)工作狀態(tài)，一般情況下，這時(shí)信號燈最亮。 利用游標(biāo)卡尺上的微動(dòng)螺絲仔細(xì)移動(dòng)長尺游標(biāo)以改變S2的位置，并在示波器上觀察信號的大小，找出S2輸出最大值的位置記下這時(shí)卡尺的讀數(shù)，再利用游標(biāo)卡尺上的微動(dòng)螺絲移動(dòng)游標(biāo)卡尺，逐漸加大S1與S2之間的距離，同時(shí)監(jiān)視S2的輸出在示波器熒光屏上顯示的波形，依次把信號每出現(xiàn)一次最大值時(shí)，游標(biāo)卡尺上的讀數(shù)讀出記錄數(shù)據(jù)，共測16次最大值。當(dāng)示波器熒光屏上每次顯示信號最大值（即波形峰峰值）逐漸減小到<3div時(shí),可改變示波Y軸的靈

7、敏度,以便于準(zhǔn)確找到最大值的位置. 記錄環(huán)境溫度t及超聲波頻率f，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出超聲波的聲速 ，并與理論值相比較，求出相對誤差得出測量值2. 相位法測 按圖13.4接好連線,除將超聲信號源“地接口”的信號接到示波器的X接口（CH2接口）外，其他接線方式與干涉法相同。 把示波器的XY按鍵打到“ON”的位置。 調(diào)S2端面，使其與S1端面相距3050mm。 利用游標(biāo)卡尺的微動(dòng)螺絲移動(dòng)游標(biāo)以改變S2的值，在示波器上觀察李薩如圖形的變化情況，找出X、Y軸輸入信號相位差=p 時(shí)S2的位置，這時(shí)圖形為一條傾斜直線如圖13.5所示，記錄游標(biāo)所在位置的讀數(shù)。再利用游標(biāo)長尺上的微動(dòng)螺絲移動(dòng)游標(biāo)，依次逐漸增大S2與S1之間的距離并觀察示波器上李薩如圖形的變化，當(dāng)相位差每變化時(shí)，李薩如圖形均為一斜直線，如圖13.5所示，共測16個(gè)數(shù)據(jù)。 記下室溫t、超聲波頻率f，類似干涉法的數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算出n測、n理、E和n=n測±n理 。