用相位法测声速
用相位法测声速
【实验目的】
1、学习用相位法测量空气中的声速。 2、了解空气中的声速与温度的关系.
3、提高声学、电磁学等不同类型仪器的综合使用能力。 4、了解换能器的原理及工作方式。 【实验仪器】
综合声速测定仪、综合声速测定仪信号源、双综示波器。 【实验原理】 1、 声波的波速
测量声速一般的方法是在给定声音信号的频率f情况下,测量声信号的波长?，由 公式u??f,计算出声速u.
图 ２ 实验连线示意图 ３、相位法测量声速的原理
图2为实验连线示意图，它由综合声速测试仪、信号源、和示波器组成。声速测试仪装置的支架上部装有游标尺，游标尺的刀口下部装有两只压电换能器。作为发射超声波用的换能器S1固定在刀口的左端.另一只接收超声波用的换能器S2装在刀口的右端，可沿着游标尺移动。两只换能器的相对位移可从游标尺上读得。使换能器S1发射超声波的正弦电压信号由信号源供给。正弦电压信号的频率直接在信号源的数码管上显示出来。换能器S2把接收到的超声波压转换成电压信号,用示波器观察。
由信号源产生的一正弦波信号，一方面由“示波器”端钮将信号送入示波器的“CH1(X
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轴）”，另一方面由“换能器\端钮将信号送入综合测定仪的“S1\再传送到“S2\，然后送入示波器的“CH2(Y轴）”．在示波器上将显示出两个频率相等、振动方向相互垂直、位相差恒定的利萨如图形.由于两信号到达时间不同（或存在有波程差）而产生相位差.
??2?L?
相位差不同，利萨如图形也不同。即 X?A1sin(?t??1) Y?A2sin(?t??2) 合成后的方程为
X2Y22XY2??cos(???)?sin(?2??1) 2122A1A2A1A2这是一个稳定的椭圆利萨如图形。
当?2??1?0时
X2Y22XY 2?2??0 A1A2A1A2或
XY? A1A2这是一直线方程。即两者相位相同或相位差为2?的整数倍时,合成为一条直线。
当?2??1?k???2时
X2Y2?2?1 A12A2
合成后的利萨如图形为正椭圆。可见利萨如图形随相位差的变化而改变。当连续移S2，增大S1与S2之间的距离L时，利萨如图将从直线到椭圆再到直线变化,如图3所示。当L改变一个波长时,即两信号的相位差改变2?时,图形就会重复出现同样斜率的直线。如图3所示。这样就可以测量出波长的长度。
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图 3 不同相位差对应的利萨如图
【实验步骤】
1、按图２ 所示接线,将换能器间距离调整到约50mm。信号源输出频率为f0，大约为36000HZ。
２、打开示波器电源,预热5分钟，待出现一条绿色的水平线。将开关置于“CH1”,显示X方向的正弦波形,然后将开关置于”CH2”，显示Ｙ方向的波形。应使两者的幅度大致相等.幅度不应过大。
３、将示波器的旋钮旋到X?Y位置，示波器出现“椭圆＂图形.将图形调至中间。旋转声速测定仪上的手轮，看图形的变化规律，看是否是从左到右再从右到左变化.
4、将利萨如图形调成一条直线，并记住直线的位置。打开自动记录仪的电源开关，并清零．
5、转动声速测定仪上的手轮,逐步增大换能器间距,观察相应的李萨如图形，直到图形再回到开始的直线位置时，记录下记录仪上的读数，并记录信号源上的频率。
６、重复步骤5.记录8组数据,填在相应的表内。 五、数据记录
序号 fn(HZ) Ln(mm) ln?Ln?4?Ln(mm) 1?i?ln(mm) 4 1 2 3 4 5 6 7 8 六、数据处理
计算平均波长 ???1??2??3??444
波长绝对不确定度 ????(???)ii?124?1
用相位法测声速
平均频率 f?8?fn?18n
频率绝对不确定度 ?f?2(f?f)?nn?18?1
计算平均声速 u??f 相对不确定度 Eu?(??)2?(?f2) 波长绝对不确定度 波速的完整表示
?f?u?Euu u?u??u(m/s)
用相位法测声速 (2)
