大学物理实验超声波速测量实验报告.doc

大学物理实验超声波速测量实验报告一实验目的了解超声波的物理特性及其产生机制;学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据;测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数;并运用超声波检测声场分布。学习超声波产生和接收原理,学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度,并与公认值进行比较。观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射二实验条件HLD-SV-II型声速测量综合实验仪,示波器,信号发生仪三实验原理1、超声波的有关物理知识声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次声波(<20Hz)、声波(20Hz≤≤20kHz)、超声波(>20kHz)和特超声波(≥10MHz),如下图。声波频谱分布图振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波:横波:质点振动方向和传播方向垂直的波,它只能在固体中传播。纵波:质点振动方向和传播方向一致的波,它能在固体、液体、气体中的传播。表面波:当材料介质受到交变应力作用时,产生沿介质表面传播的波,介质表面的质点做椭圆的振动,因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。板波:在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波,可分为SH波与兰姆波。超声波由于其波长短、频率高,故它有其独特的特点:绕射现象小,方向性好,能定向传播;能量较高,穿透力强,在传播过程中衰减很小,在水中能够比在空气或固体中以更高的频率传的更远,而且在液体里的衰减和吸收是比较低的;能在异质界面产生反射、折射和波形转换。2、理想气体中的声速值声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程,因此传播速度可表示为(1)式中R为气体普适常量(R=/()),是气体的绝热指数(气体比定压热容与比定容热容之比),为分子量,为气体的热力学温度,若以摄氏温度t计算,则:代入式(1)得,(2)对于空气介质,0℃时的声速=。若同时考虑到空气中的蒸汽的影响,校准后声速公式为:(3)式中为蒸汽的分压强,p为大气压强。3、共振干涉法设有一从发射源发出的一定频率的平面声波,经过空气传播,到达接收器,如果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,反射面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离,在一系列特定的距离上,媒质中出现稳定的驻波共振现象。此时,等于半波长的整数倍,驻波的幅度达到极大;同时,在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出,在移动接收器的过程中,相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此,若保持频率不变,经过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离(),就能够用计算声速。声压变化与接收器位置的关系:4、相位比较法发射波经过传声媒质到达接收器,因此在同一时刻,发射处的波与接收处的波的相位不同,其相位差可利用示波器的李萨如图形来观察。和角频率、传播时间之间有如下关系:同时有:,(式中T为周期),代入上式可求得声速V。的确定用如下方法:根据当时,得。实验时,经过改变发射器与接收器之间的距离,可观察到相位的变化。而当相位差改变时,相应的距离的改变量即为半个波长。为精确测定波长的值,在实际的操作中要连续测多个相位改变的点的坐标,再用逐差法算出波长的值,根据波长和频率值可求出声速。行波法相位差图:5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射由于超声波具有波长短,易于定向发射及抗干扰等优点