基础物理实验研究性报告.doc

基础物理实验研究性报告
Author 作者姓名王世豪 Wang Shihao
School number 作者学号 10071108
Institute所在院系机械工程及自动化学院SMEA
Major攻读专业机械制造及自动化mechanical engineering
完成时间:2011年 11月 25 日
数字示波器测量声速
Digital oscilloscope measurement of sound velocity
目录
摘要 4
Abstract 4
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空气柱形成波的共振 9
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四、实验数据处理 10
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五、误差来源分析 12
六、实验的经验与技巧 14
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七、实验仪器的改进 16
八、实验感想 17
参考文献 18
摘要
本文以“数字示波器测量声速”为主要内容,先介绍了实验的基本原理与过程,而后进行数据处理和不确定度的计算,对试验中产生的误差进行了定量的分析计算,并且总结了调节示波器的方法,提出改进方案,对仪器方面也提出了自己的意见。
关键词:数字示波器;测量声速;误差;调节方法;
Abstract
In this paper, the" digital oscilloscope measurement of speed of sound", as the main content, first introduced the basic principle and the process of experiment, and then the data processing and calculation of the uncertainty of the test. The error produced in the quantitative analysis and it also summarizes the regulation of oscilloscope method, while the apparatus is also put forward my own opinions,in my way.
Key words: digital oscilloscope; measurement of the speed of sound; error; the regulation of oscilloscope method;

声速是指声波在媒质中的传播速度。声波能够在除真空以外的所有物质中传播,其传播的速度由相应媒质的材料特性特别是力学参数所决定,也与传播模式有关。由于声速的传播模式会受边界的影响,因此通常给的的声速都是在无限大媒质中传播的声速。本实验的主要内容是利用连续波方法来测定空气中的声速。
在波动过程中,波的传播速度v、频率f、波长λ之间存在关系:
v=fλ(1)
因此只要测出声波的频率和波长就可以算出声速。
频率计
图1 声速测量仪
简化图如下:
实验装置如图1所示。其中的频率计也应当接入电路,S1和S2分别用来发送和接收声波。它们是以压电陶瓷为敏感元件做成的电声换能器。当把电信号加在S
1的电端时,换能器端面产生机械振动并在空气中激发出声波。当声波传递到S2表面时,激发S2端面的振动,又会在其电端产生相应的电信号输出。
本实验采用的是“振幅法”进行实验。S1发出的声波传播到接收器后,在激发起S2振动的同时又被S2的端面所反射。保持接收器端面和发送器端面相互平行,声波将在两平行平面之间往返反射。因为声波在换能器中的传播速度和换能器的密度都比空气要大得多,可以认为这是一个以两端刚性平面为节的空气柱的振动问题。当发送换能器所激发的强迫振动满足空气柱的共振条件:
即为: l0=nλ/2 (2)
时,接收换能器在一系列特定的位置上将有最大的电压输出。式中
L0是空气柱的有效长度,λ是空气中的声波长,n取正整数。考虑到激励源的末端效应,式(2)还应当附加一个校正因子Δ:
即为: l0=nλ/2+Δ(3)
式子中,l是空气柱的实际长度,即发送换能器端面到接收换能器端面之间的距离。
在S0处于不同的共振位置时,因Δ是常数,所以各电信号极大值之间的距离均为λ/2。由于波阵面的发散