1、實驗預習【實驗目的】1. 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. 學會運用逐差法處理測量數據?！緦嶒炘怼课覀冎?，聲波在空氣中的傳播速度v與其頻率f和波長的關系為=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，在本實驗中,聲波頻率f可直接由超聲信號源顯示的數值讀出，所以我們的主要任務就是測出聲波的波長。1. 共振干涉法（駐波法）實驗裝置如圖13.3所示，圖上S1和S2分別表示兩只超聲壓電轉換器，S1為發射器，當它被超聲信號源的電信號激勵后由于逆壓電效應發生受迫振動，振動頻率與電信號激勵頻率相同，并向周圍空氣定向發出一近似平面波。

2、S2為超聲接收轉能器，它受迫振動后產生壓電效應輸出電信號，電信號的頻率與超聲波的振動頻率相同。VERT MODESBZ-A信號源 CH1 X-Y (OFF) 34562 Hz 頻率調節開關 輸出 粗調 細調 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S1和S2兩個端面互相平行時，超聲波從S1傳至S2端面將被反射，產生干涉，形成駐波。當 （n=0,1,2,） (13.2)振幅為極大值，產生共振，這時接收器S2收到的聲壓為極大值，經過壓電效應轉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. 在實驗過程中，由于各種

3、損耗，各極大值會隨著L的增大而逐漸減小，我們只要測出接收轉能器 S2在各個相鄰極大值的位置，即可求得波長。用游標卡尺依次測出16個極大值的位置，并用逐差法處理數據：由 (13.3)得 (13.4)2. 相位比較法（行波法）實驗裝置如圖13.4所示。聲波輸出源與接收點存在著相位差，這相位差我們可以通過比較發射換能器的激勵信號與接收換能器輸出電信號的相位關系得出。當接收點與發射點的距離變化等于一個波時，接收點輸出的信號與波源的相差也正好變化一個周期，即 SBZ-A信號源 X-Y (ON) 34562 Hz頻率調節開關 輸出 粗調 細調 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 幾種相位差時的李薩如圖形判別相位差本實驗利用李薩如圖形。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軸輸入構成的李薩如圖形如圖13.5所示。如果移動接收換能器,觀察每反相一次（即f=p）S2的位置，即可用相鄰兩個S2的位置之差得出其對應的半個波長l/2。與共振干涉法相類似，測出16個相應數據，并用逐差法處理之。【實驗內容和步驟】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)。 調整超聲聲速儀S1固定環上的緊固螺釘，使S1的端面與卡尺垂直，再調節S2端面，使其與S1端面平行，并位于距S1端面3050mm處。 接通示波器預熱，將示波器的Y軸靈敏度和掃描靈敏度旋鈕調節在適當檔位，XY按鍵打在“OFF”位置。（示波器的其他旋鈕的使用請參考實驗三）。 將超聲信號源的頻率“粗調”旋鈕反時針旋至最左邊，“細調”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。順時針細心旋轉頻率“粗調”旋鈕并同時觀察示波器熒光屏，使S2的輸出盡量大，這時串

6、聯在回路中的信號燈發亮（無信號燈的測速儀只觀察示波器的熒光屏），再左右調整頻率“細調”旋鈕使S2輸出的信號達到最大值，這時換能器處于諧振動工作狀態，一般情況下，這時信號燈最亮。 利用游標卡尺上的微動螺絲仔細移動長尺游標以改變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卡尺的讀數，再利用游標卡尺上的微動螺絲移動游標卡尺，逐漸加大S1與S2之間的距離，同時監視S2的輸出在示波器熒光屏上顯示的波形，依次把信號每出現一次最大值時，游標卡尺上的讀數讀出記錄數據，共測16次最大值。當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,可改變示波Y軸的靈

7、敏度,以便于準確找到最大值的位置. 記錄環境溫度t及超聲波頻率f，對測量數據進行處理，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S2端面，使其與S1端面相距3050mm。 利用游標卡尺的微動螺絲移動游標以改變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S2的位置，這時圖形為一條傾斜直線如圖13.5所示，記錄游標所在位置的讀數。再利用游標長尺上的微動螺絲移動游標，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，當相位差每變化時，李薩如圖形均為一斜直線，如圖13.5所示，共測16個數據。 記下室溫t、超聲波頻率f，類似干涉法的數據處理方法計算出n測、n理、E和n=n測±n理 。