篇一：驻波法测量声速
驻波法测量声速
声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，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。超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
一、 实验内容
1、用驻波法测定空气中的声速。
2、用李萨茹图形的变化，观测位相差。
3、了解时差法测定超声波的传播速度。
二 、实验仪器
SVX-5型声速测试仪信号源 SV-DH系列声速测试仪
实验装置
三、预备知识介绍
1.声 波
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。
2.压电陶瓷换能器
压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力T时，在极化方向上产生一定的电场强度E且具有线性关系：E?g?T,即力→电，称为正压电效应；当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与U之间有简单的线性关系：S?d?U，即电→力，称为逆压电效应。其中g为比例系数，d为压电常数，与材料的性质有关。由于E与T，S与U之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源。即压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器，反过
四、实验原理 根据声波各参量之间的关系可知????f,其中?为波速, λ为波长,频率。在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率ff为求声速。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则常用共振干涉法(驻波法)和相位比较法(行波法)来测量。
图2 实验装置
1.共振干涉(驻波)法测声速
实验装置接线仍如图2所示，使S1发出一平面波。S2作为超声波接收头，把接收到的声压转换成交变的正弦电压信号后输入示波器观察，示波器置扫描方式。S2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样，由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1和S2之间产生定域干涉。
当S1和S2之间的距离L恰好等于半波长的整数倍时，即
k = 0，1，2，3 ?? ；
形成驻波共振。任意两个相邻的共振态之间，S2的位移为，
所以当S1和S2之间的距离L连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期性变化，相当于S1和S2之间的距离改变了
由信号发生器读得，由?
2.相位比较法
???f?2。此距离?2可由读数标尺测得，频率f即可求得声速。
实验装置接线如图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：
在发射波和接收波之间产生相位差：
见图3
椭圆，
图3 合成振动
改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L不断变化。显然，当S1、S2之间距离改变半个波长?L??/2，则??＝?。
五、实验步骤
1.声速测试仪系统的连接与调试
接通电源，信号源自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态，预热15min。声速测试仪和声速测试仪信号源及双踪示波器之间的连接如图2所示。
1）测试架上的换能器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端换能器接口(S1)，用于输出相应频率的功率信号， 接至测试架左边的发射换能器(S1)；仪器面板上的接收端的换能器接口(S2)，请
连接测试架右边的接收换能器(S2)。
2）示波器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端的发射波形(Y1)，接至双踪示波器的CH1(X)，用于 观察发射波形；信号源面板上的接收端的接收波形(Y2)，接至双踪示波器的CH2(Y)，用于观察接收波形。
2.共振频率的调试测量（详细操作见实验室的说明书）
只有当换能器S1和S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到发射换能器S1谐振频率点处，才能较好地进行声能与电能的相互转换，提高测量精度，以得到较好的实验效果。
超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出电压(100mV～500mV之间)，调节信号频率（在25～45kHz），观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处(34.5～37.5kHz之间)电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点，记录频率νi ，改变S1和S2之间的距离，适当选择位置(即：至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置)，再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均值?0 。
3.干涉法(驻波法)测量波长（详细操作见实验室的说明书）
1) 按图2所示连接好电路；
2) 将测试方法设置到连续波方式，把声速测试仪信号源调到共振工作频率（根据共振特点观察波幅变化进行调节）。
3) 在共振频率下，将S2移近S1处，依次记下各振幅最大时的读数标尺位置L1、L2? 共10个值；
4) 记下室温t ；
5) 用逐差法处理数据。
4.用相位比较法(李萨如图形)测量波长（详细操作见实验室的说明书）
1) 将测试方法设置到连续波方式，连好线路，把声速测试仪信号源调到最佳工作频率f。
2）调节示波器：把“扫描时间”旋扭旋至“X-Y”方式；
篇二：超声波测声速实验报告
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
1
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。
图1 实验装置和接线图
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：
y1=Acos2π ft?
λx
y2=Acos2π ft+
叠加后合成波为：
x
y=(2Acos2π)cos2πft
cos2πλ=±1的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：x=±n2 (n=0,1,2,3…)； cos2πλ=0的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：x=±（2n+1）4 (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。
2
x
λ
x
λ
x
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：φ=2π (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
λx
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S1和S2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S1和S2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S2，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xi，取i=10，用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率f0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S2，当重复出现该图形时，说明相位变化了2π，即S1和S2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。
3
李萨如图形
图3 Ф=0 图5 Ф=π
4 图6 Ф=π
2 图7 Ф=3π
4
图4 Ф=π
图8 Ф=π
2
图9 Ф=7π
4
图10 Ф=2π
4
五、 数据记录及处理
1． 基础数据记录
谐振频率f0=33.5kHz
2． 驻波法测量声速
的平均值：?6?λ?i?1.0582（cm）
i?1
λ的不确定度：
6
(?
i
?)2
Si?1
??
?i(i?1)＝0.002（cm）
因为，λi= (1i+6-1i) /3，Δ仪=0.02mm 所以，u2??
33
?仪＝0.000544（cm）
?2??S??u2?
?0.021（mm） 计算声速：
??f??354.50（m/s）
?f?1%计算不确定度：
f?
?0.2 (kHz)
???(f?2?)?(??f)2?3 (m/s)
实验结果表示：υ=（354±3）m/s，Ev=0.8%
3． 相位比较法测量声速
5
篇三：声速测量实验报告
大学物理实验课教案
俸永格（13648611061）
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2×10Hz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
4
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
（示波器显示波形幅值最大）。
（4） 依次调节信号源的频率粗、细调旋钮，同时观察示波器显示波形幅值变
化情况，幅值最大时所对应的频率即为谐振频率f，将f数值记录于（表一）。
（5） 逆时针方向转动换能器平移鼓轮至两换能器端面距离约5厘米左右，确
定所选第一个波腹的位置并初始化数显读数标尺。
（6） 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹（节）位置（示波器显
示波形幅值最大）并记录相应的数显标尺读数于（表一）。
（7） 重复步骤7连续记录14个波腹（节）的位置读数并记录于（表一）。 （8） 实时记录环境温度与SV8输出电压幅值V。 （二）相位法测声速
（1） 保持驻波法连线不变，另用一根电缆线连接信号源的发射波形接口与示波器通道2输入端口。
（2） 调节示波器扫描旋钮至正交档，逆时针方向转动换能器平移鼓轮观察不同相位差时的李萨如图形（斜线、椭圆、圆）。当两换能器端面距离约5厘米时停止转动。
（3） 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一正（反）斜线时停止转动换能器平移鼓轮并初始化数显读数标尺。
（4） 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一反（正）斜线时
停止转动换能器平移鼓轮并将此时的数显标尺读数记录于（表二）。 （5） 重复步骤4记录14个反（正）斜线波形的位置读数并记录于（表二）。 （6） 实时记录环境温度与SV8输出电压幅值V。
（7） 结束实验归整仪器。
五 原始数据记录表（此表要求学生课前完成并绘于预习报告中） 表一 驻波法测量声波传播速度记录表
表二 相位法测量声波传播速度记录表（正反斜线法）
六 注意事项
（1）示波器辉度调节应适度，不可调至最大！
（2）两换能器发射端面不可接触！（X>5cm）
（4）转动换能器平移鼓轮不可过快！并注意避免回程差！
七 实验数据处理与实验结果 1原始数据见原始数据记录纸，
2数据处理采用的具体方法：列表法与逐差法
3数据处理与实验结果（仅供参考，表中TO=273.15K, V实代表声速实测值）
输入频率：f? _36761Hz， ?f?0.3Hz ,环境温度：t?30.0°C，电压15伏）
实验结果：
V实??V??
实测值与理论计算值之间的百分误差：
?m?s?1
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