【实验目的】
1、掌握两种测量声速方法的原理,学会测定超声波在空气中的传播速率。
2、了解压电换能器的功能,熟悉信号源和示波器的使用。
3、加深对驻波及振动合成理论的理解。
4、测定超声波在固体中的传播速率
【实验原理】(原理概述,电学。光学原理图,计算公式)
在波动过程中,波速 v、波长λ和频率 f 之间存在下列关系
通过实验,测出波长λ和频率 f,就可以求出声速 v。常用的方法有驻波法和相位比较法两种。
超声波声速测定装置主要由压电传感器和游标卡尺构成。传感器的主要部件是用多晶体结
构的压电材料(如碳酸钡)在一定温度下经特殊处理而成的压电陶瓷片。这种陶瓷片具有压
电效应,它能将交流电压信号转换成纵向长度的伸缩,靠自身成为声波波源;反过来,也可
将声压变化转换成电压变化,即用它将接收到的声波信号转变为电压信号。
压电传感器有一谐振频率 f
0
,当外加声波信号的频率等于此频率时,陶瓷片将发生机械谐
振,得到最强的电压信号,此时传感器具有最高的灵敏度;反过来,当输入的电压使得传感
器产生机械谐振时,作为波源将具有最强的发射功率。
实验装置中使用两个压电传感器,其一作为超声发射器,另一个作为接收器。
1. 驻波法测声速
实验装置如图。图中 S
1
和 S
2
为压电陶瓷超声换能器,S
1
作为超声源(发射头),由信
号源输出的正弦交变电压接到 S
1
上,使得 S
1
发出一平面超声波;S
2
作为超声波的接收
头,把接收到的声压转变成交变的正弦电压信号后输入示波器观察。S
2
在接收超声波
的同时,还向 S
1
反射一部分超声波,这样由 S
1
发出的超声波和由 S
2
反射的超声波就在
S
1
和 S
2
之间的区域干涉形成驻波。驻波相邻两波峰(或波节)之间的距离为半波长。S
2
可以移动,其位置由游标卡尺读出。当改变 S
2
到 S
1
之间的距离时,在一系列特定位置
上,S
2
面接收到的声压达到极大值(或极小值),相邻两极大值(或极小值)之间的
距离皆为半波长。此时,在示波器荧光屏上所显示的波形幅值发生周期性的变化,即
由一个极大值变到极小值,再变到极大值。而幅值每次周期性的变化,就相当于 S
2
到
S
1
之间的距离改变了半波长。由于超声波的频率 f 可由信号源直接读出,因而声速便
可求得。若两个相邻共振状态之间,S2 移动的距离为
即λ=2△L,从而 v=fλ=2f△L
实际测量中,为了减少单次测量△L 带来的误差,采用多次测量求平均的方法,并用逐差法求
出λ平均值
2. 相位比较法测声速
实验装置如图。从 S
1
发出的超声波通过媒质传到接收头 S
2
,在接收头和发射头之间便
产生位相差
,此位相差的大小与角频率ω(2πf)、传播时间 t、声速 v、波长λ以
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