实验四十--超声波实验.pptx

实验四十 超声波实验王淑珍实验目的o了解声波在空气中传播的特性o了解压电换能器的功能o了解声波的产生、发射和接受方法o进一步掌握示波器、信号发生器的使用方法o加深对波的传播、干涉、驻波、振动合成等理论知识的理解。o学习驻波法和相位法测试超声波在空气、水中的传播速度实验器材oZKY-SS声速测定实验仪（信号源、测定仪、水槽）、示波器移动支架换能器水槽示波器信号源 发射换能器的发射面与接收换能器的发射换能器的发射面与接收换能器的接收面要保持互相平行！接收面要保持互相平行！zky-ss型声速测定实验仪主要由压电陶瓷换能器型声速测定实验仪主要由压电陶瓷换能器和读数标尺组成。和读数标尺组成。换换能能器器结结构构图图 压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、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。锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器，压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器，反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶瓷片作为声频信号接收器。瓷片作为声频信号接收器。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换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成2.示波器示波器水平移位水平移位聚聚焦焦调调节节CH通道通道灵敏度调节灵敏度调节（）（）灵敏度调灵敏度调节（节（）垂直移垂直移位位（CH1）触发触发电平电平CH1通道通道垂直移位垂直移位（CH2）亮亮度度调调节节扫描扫描速度速度选择选择3.信号发生器信号发生器频率调节输出超声发射器驱动信号输入超声接收信号输出信号监测输入信号监测实验原理实验原理声速、声源振动频率和波长之间的关系为声速、声源振动频率和波长之间的关系为 式中式中 为声速；为声速；为频率；为频率；为波长。为波长。谐振时谐振时,声波频率就是低频信号发生器声波频率就是低频信号发生器输出频率。因此声速测量输出频率。因此声速测量是通过直接测量声是通过直接测量声波的波长。波的波长。一一.驻波法驻波法（共振干涉法）（共振干涉法）声波波长的测量方法声波波长的测量方法 1.驻波的形成及特点驻波的形成及特点驻波方程驻波方程 任意两相邻波腹任意两相邻波腹(波波节节)之间的距离为之间的距离为 .波腹波腹:振幅最大的点振幅最大的点.对应的位置：对应的位置：波节波节:振幅最小的点振幅最小的点.对应的位置：对应的位置：发射换能器发射换能器S1发出的一定频率的平面声波，经过发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器（接受换能器空气传播，到达接收器（接受换能器S2）。如果）。如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上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，反垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反射面处为驻波的波节。改变接收器与发射源之间射面处为驻波的波节。改变接收器与发射源之间的距离的距离l，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳定的驻波共振现象。定的驻波共振现象。声压变化与接收器位置的关系声压变化与接收器位置的关系移动接受器时、移动接受器时、示波器所显示的示波器所显示的信号幅度会由极信号幅度会由极大逐渐变小、然大逐渐变小、然后再变大、相邻后再变大、相邻二次达到极大值二次达到极大值的距离为的距离为 2.由纵波性质和驻波理论可知，接收面按振动位移来由纵波性质和驻波理论可知，接收面按振动位移来说处于波节时说处于波节时,接收到的声压相应达到最大值接收到的声压相应达到最大值,所接受所接受电信号最强。电信号最强。示波器示波器x,y轴输入波的相位差：轴输入波的相位差：因为因为L改变一个波长时，相位差就改变改变一个波长时，相位差就改变 。利用李。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。萨如图形就可以测得超声波的波长。二二.相位比较法（李萨如图形法）相位比较法（李萨如图形法）当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大小会随发射小会随发射接收的接收的 距离距离L发生变化，而且椭圆发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。的相位亦发生变化。相位差图相位差图相位差与李萨如图形的关系相位差与李萨如图形的关系分别用驻波法和相位法测量声音在空气中和水中的速度实验内容实验内容一寻找系统的谐振频率寻找系统的谐振频率实验步骤实验步骤转动丝杆寻找信号幅度最强的位置，找到后调节信号发生器的频率，使示波器上的信号幅度最大，再用微调旋钮调节信号发生器的频率，使示波器上的信号幅度更大，此时信号发生器输出的频率值即为本系统的谐振频率f0 1.接好电路（发射器接好电路（发射器激振器、接收器激振器、接收器拾振器、拾振器、发射监测发射监测触发信号、接收监测触发信号、接收监测CH2）。）。2.选择连续正弦波工作模式（共振法、相位法），预热选择连续正弦波工作模式（共振法、相位法），预热15分钟。分钟。3.寻找谐振频率（寻找谐振频率（CH2通道波幅最大时对应的频率）并通道波幅最大时对应的频率）并记录此频率，在以后的实验中不得更改此频率。记录此频率，在以后的实验中不得更改此频率。4.将将S2移近移近S1,在距离在距离5cm附近找共振位置（振幅最大附近找共振位置（振幅最大点），移动点），移动S2，依次记下各振幅极大时的，依次记下各振幅极大时的x值，记录值，记录10组数据。组数据。二二.驻波法测波长驻波法测波长1.接好电路（发射器接好电路（发射器激振器、接收器激振器、接收器拾振器、拾振器、发射监测发射监测CH1、接收监测、接收监测CH2）。）。2.选择连续正弦波工作模式。选择连续正弦波工作模式。3.示波器设置为示波器设置为x、y工作状态工作状态,选择适当的档位选择适当的档位,调出李调出李萨如图形。萨如图形。3.在共振频率下，使在共振频率下，使S2靠近靠近S1，再缓慢远离，再缓慢远离S1，当示，当示波器上出现斜线（波器上出现斜线（=0=0、），记下），记下S2的位置的位置x。4.继续移动继续移动S2,示波器上李萨如图形相位发生周期变化示波器上李萨如图形相位发生周期变化,依次记下斜线出现时依次记下斜线出现时S2的位置的位置x1，x2，。三三.李萨如图形法李萨如图形法实验数据及处理实验数据及处理驻波法测量驻波法测量空气空气中的声速中的声速1）实验数据）实验数据数据数据数据数据2）逐差法处理实验数据）逐差法处理实验数据 3）空气中声速的理论值）空气中声速的理论值计算测量值与理论值的相对误差计算测量值与理论值的相对误差比较两种方法测量的结果比较两种方法测量的结果注意事项注意事项o测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，以避免空程误差。o电源接通时，两超声换能器不得接触。o计算空气中声速的百分偏差时，空气中声速理论值由温度压强等计算。1 逐差法处理数据的优点是什么？2 为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测量？3 试举三个超声波应用的例子，它们都是利用了超声波的哪些特性？思思 考考 题题