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。

（2）信号发生器的调整。频率选择35KHz左右，幅度为5V的一个正弦信号。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换能器的共振频率。

（3）超声速测定仪的使用。1通过游标卡尺来测量左右换能器间的距离。2当把鼠标移动到右边的换能器上后，会出现“ßà”标志，表明此时可以移动。按下鼠标左键向左移动，按下右键向右移动。移动的幅度可以通过“调节状态”的“粗调”和“细调”来控制。

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。

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，它们波动方程分别为

叠加后合成波为：

当x= ( n =0,1,2,3……)时为波腹，当x= ( n =0,1,2,3……)时为波节。相临波腹（波节）间距离为，故只要测得相邻两波腹（或波节）的位置Xn、X_n-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： （其中l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2p。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

五、数据记录及数据处理

六、实验结论及误差分析

      

1、  用驻波法测得声速v=358.37m/s ,误差为

用相位法测得声速v=363.52m/s ,误差为

2、误差分析

1、对于驻波法，调节波的振幅时，由于在振幅最大与最小附近变化不明显，因此可能读数时并非是处于振幅最大与最小处，导致求得的波长不准。

2、对于相位法，调节游标卡尺时，肉眼观察图案成为一条线时，实际可能没有完全重合，导致求得的波长不准。

3、建议

1、多次测量求平均值。

 2、改进软件性能，使分辨率提高

 

第二篇：超声波测声速实验报告

超声波测量声速

实验报告

——大学物理仿真实验

学院：生命学院

班级：生基硕01

姓名：廖崇兵

学号：10123011

实验日期：20##年6月3日—9日

交报告日期：20##年6月10日

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. 

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、即可得波长。

2.  相位比较法测波长

从换能器发出的超声波到达接收器，所以在同一时刻与处的波有一相位差：  (其中λ是波长，x为和之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变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，观察和是否平行。

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，使和间的距离约为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，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，取i=10，用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率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，当重复出现该图形时，说明相位变化了2π，即和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。

李萨如图形

                          

图3  Ф=0                                                     图7 Ф=π

                       

图4 Ф=                                                    图8 Ф=

                         

图5 Ф=                                                     图9 Ф=

                     

图6 Ф=                                                  图10 Ф=2π

五、      数据记录及处理

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

λ的平均值：1.0582（cm）

λ的不确定度：

＝0.002（cm）

因为，λ_i= (1_i+6-1_i) /3，Δ_仪=0.02mm

所以，0.000544（cm）

0.021（mm）

计算声速：

（m/s）

计算不确定度：

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）

λ的平均值：1.1041（cm）

λ的不确定度：

＝0.002（cm）

因为，λ_i= (1_i+7-1_i) /7，Δ_仪=0.02mm

所以，0.000233（cm）

0.020（mm）

计算声速：

（m/s）

计算不确定度：

实验结果表示：υ=（353±3）m/s，B=0.8%

六、      误差分析

1.       由于使用软件虚拟操作，应该不会出现一些读数的误差，操作上也应该没有什么问题；

2.       由于6月9日无法登陆大物实验中心和大厅，所以数据并没有从软件上得到，我只有参考了一些网络上的数据。

七、      实验建议

1.              虚拟实验的软件有很多地方还可以优化一下，如添加一个最小化按钮，调整一下，使之支持64位的操作系统等。

2.              实验的原理可以写得详细一些，由于有些知识没有学习，很大部分的实验原理都看不懂，知识照着实验指导上的步骤去做而已。

八、      思考题

1.        准确测量谐振频率的目的是什么?

答：在谐振频率时，波形最稳定，能够观察读数。准确测量数值，以便于调整。

2.       若固定两换能传感器之间的距离,改变频率,能否测量出声速?为什么?

能。因为v = f λ，已知频率f，而且波长λ也能通过示波器图像读出，所以可以用驻波法测量出声速。