声速测量实验报告 第1篇
实验过程杂谈视频：
实验报告正文：
一、实验目的
1、理解声速的多普勒效应，理解相位法原理。
2、用多普勒效应测量空气中的声速，并进行 误差分析。
3、相位法测量声速，并进行误差分析。
二、实验原理
1、声波的多普勒效应：
设声源在原点，声源振动频率为f，接收点在x，运动和传播都在x方向。对于三维情况，处理稍复杂一点，其结果相似。声源、接收器和传播介质不动时，在x方向传播的声波的数学表达式为：
为了简单起见，本实验只研究第2种情况：声源、介质不动，接收器运动速度为Vr。根据
可知，改变vr就可得到不同的fr以及不同的△f =fr-f，从而验证了多普勒效应。另外，若已知Vr、f，并测出fr，则可算出声速C0，可将用多普勒频移测得的声速值与用时差法测得的声速作比较。若将仪器的超声换能器用作速度传感器，就可用多普勒效应来研究物体的运动状态。
2、声速的几种测量原理：
① 超声波与压电陶瓷换能器：
频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点。声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间，在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。
压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。
② 共振干涉法（驻波法）测量声速：
假设在无限声场中，仅有一个点声源换能器1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。
在上述假设条件下，发射波ξ1=A1cos（ωt+2πx/λ)。在S2处产生反射，反射波ξ2=A2cos（ωt-2πx/λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A2＜A1。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加，合成波束ξ3
ξ3=ξ1+ξ2=A1cos（ωt+2πx/λ) + A2cos（ωt-2πx/λ)
= A1cos（ωt+2πx/λ) +A1cos（ωt-2πx/λ)+（A2-A1）cos（ωt-2πx/λ)
=2A1cos(2πx/λ)cosωt+（A2-A1）cos（ωt-2πx/λ)
由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx/λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx/λ)呈周期变化的特性。另外，由于反射波幅度小于发射波，合成波的幅度即使在波节处也不为0，而是按（A2-A1）cos（ωt-2πx/λ)变化。图2所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx/λ)变化的特征。
实验装置按图7所示，图中1和2为压电陶瓷换能器。换能器1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于换能器2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在换能器1和2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器（换能器2）处的振动情况。移动换能器2位置（即改变换能器1和2之间的距离），从示波器显示上会发现，当换能器2在某位置时振幅有最大值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为λ/2。为了测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的改变换能器1和2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间的距离为λ/2；换能器2移动过的距离亦为λ/2。超声换能器2至1之间的距离的改变可通过转动滚花帽来实现，而超声波的频率又可由测试仪直接读出。
在连续多次测量相隔半波长的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。
③相位法测量原理：
由前述可知入射波ξ1与反射波ξ2叠加，形成波束ξ3=2A1cos(2πx/λ)cosωt+（A2-A1）cos（ωt-2πx/λ)相对于发射波束：ξ1=Acos（ωt+2πx/λ)来说，在经过△x距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差（相移）为θ=2π△x/λ。由此可见，在经过△x距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差（相移）为θ=2π△x/λ，如图3所示。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长。
④时差法测量原理：
连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t
通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t，就可以计算出当前介质下的声波传播速度。
三、实验仪器
DH-DPL系列多普勒效应及声速综合实验仪：
本仪器用超声波来研究多普勒效应。用电磁波和声波研究多普勒效应的原理是相同的，但由于超声波的波长较电磁波要小得多，所以在较低的运动速度下也有明显的多普勒效应，这就非常有利于物理实验中对多普勒效应进行研究。
另外，本仪器还能对超声波在空气中的传播速度进行多种途径的测量：驻波法、相位法、时差法和多普勒效应法测量声速；同时也能开展一些设计性实验，如多普勒效应法测物体的运动速度，多普勒效应法研究物体的运动状态等。
（一）仪器主要技术参数
1、功率信号源：
a信号频率：20kHz~50kHz，步进值10Hz，频率稳定度：<；
b最大输出电压：连续波＞4Vp-p，脉冲波＞7Vp-p；
c脉冲波宽度：75μs，周期：30ms；
2、智能运动控制系统参数：
a步进电机：供电电压，额定电流，最大转矩·cm；
b运动速度：直线匀速运动～可调，误差±；
直线变速运动0～变化,提供七条变速曲线；
可正反方向运行；
c 最小步进距离L设定范围：～；
d 运行距离D显示范围：匀速运动模式0～，误差±2L；
变速运动模式0～99999mm，误差±2L；
e 限位保护：光电门限位，行程开关限位；
3、多普勒频移：0～50Hz；
4、系统测频精度：±1Hz；
5、系统测速精度：±；
6、时差法准确测量范围：0～800mm；
7、时差法、相位法、驻波法以及多普勒效应法测量声速精度：<3%；
8、换能器谐振频率：37±2kHz；
9、换能器旋转角度：0～180度；
（二）仪器构成及说明
本仪器由实验仪、智能运动控制系统和测试架三个部份组成。
实验仪由信号发生器和接收器、功率放大器、微处理器，液晶显示器等组成。
智能运动控制系统由步进电机，电机控制模块，单片机系统组成，用于控制载有接收换能器的小车的速度。
测试架由底座、超声发射换能器、导轨、载有超声接收器的小车、步进电机、传动系统、光电门等组成。
在验证多普勒效应和直射式测声速时，超声发射器和接收器面对面平行对准；在反射式测量时，超声发射器和接收器应转一定的角度，使入射角度近似等于反射角。
四、实验内容
五、数据记录
六、数据处理
1.多普勒法：
2.相位比较法：
七、结果陈述
多普勒法测得声速，相对误差为。
位相比较法测得声速，相对误差为。
八、实验总结与思考题
1.实验总结：
实验非常成功。
2.思考题：
（1）分析压电陶瓷换能器的工作原理。
极化的压电陶瓷在周期周期信号激励下，产生伸缩振动，推动周围媒介运动，此为发射换能器；一般结构为1/2波长振子极化的压电陶瓷，在媒介的推动下，产生伸缩振动，产生电信号，此为接收换能器。
（2）实验中如何测量压电陶瓷的共振频率？
压电陶瓷的共振频率一般用阻抗分析仪可以测试。如果简单的测试，那就简单地用敲击测换能器余震频率的方法，可以简单地测换能器谐振频率。
（3）在共振法中，示波器不能显示接收换能器的输出波形，但连线无误，仪器和导线无故障，请估计这是由哪些原因造成的？应当如何处理？
1）信号源的频率偏离换能器共振频率太远，要调整信号源频率，使换能器工作在谐振频率上。
2）激励发生器的信号幅度太小，应增加信号源的输出电压。
3）VOLTS/DIV选择不当，可能电压分度值过高，改变接收换能器信号输出端的VOLTS/DIV，放大接收信号。
九、相关题
1. 相位比较法测声波波长利用的公式是l=n×λ/2，l表示（B）
A. 发生器每次位置变化的距离
B. 接收器相对于发生器位置变化的距离
C. 发生器与接收器之间的距离
2. 相位比较法测声波波长中，用示波器观察李萨如图形时，时间扫描旋钮应该置于（A）
A. X-Y档
B. Y档
C. X档
3. 声速的测量在（ABCD）方面有应用
A. 声波测距
B. 声波成像
C. 声波探伤
D. 声波定伤
4. 实验中当信号发生器的输出频率【1】 换能器的固有频率时，示波器上可以观察到 【2】 的波形。选择答案： A，大于；B， 等于 ； C，小于 ；D，最大；E，最小
标准答案：B;D
5. 多普勒测声速实验中，示波器中显示李萨如图形连续两次出现直线，则相位差为【1】，此时发射器与接收器之间改变的距离是【2】选择答案：A，π； B，2π ； C，半个波长； D，一个波长
标准答案：A;C
6. 动态多普勒效应测声速法中，应保证【1】位置不变，改变【2】位置选择答案：A，发生器；B，接收器
标准答案：A;B
7. 压电换能器可以把【1】能转换为【2】能，作声波发生器用，也可以把【3】能转换为 【4】能，作声波接收器之用。选择答案：A，声；B，电；C，波幅；D，波长
标准答案：B;A;A;B
8. 多普勒效应主要是指波源辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化，当一个移动的波源接近观测者，观测者接收到的波频率【1】，称为【2】，当一个移动的波源远离观测者，观测者接收到的波频率【3】，称为【4】
选择答案：A，变大；B，变小；C，蓝移；D，红移
标准答案：A;C;B;D
9. (判断题)相位比较法测声波波长，用示波器观察李萨如图形的方法可以监测发生器与接收器之间相位差的变化。
标准答案：正确
声速测量实验报告 第2篇
实验目的：
1)探究影响声速的因素，超声波产生和接收的原理。
2)学习、掌握空气中声速的测量方法 3)了解、实践液体、固体中的声速测量方法。 4)三种声速测量方法作初步的比较研究。
实验仪器:
1)超声波发射器 2)超声波探测器 3)平移与位置显示部件。 4)信号发生器： 5)示波器
实验原理： 1)空气中：
a.在理想气体中声波的传播速度为
v88
(式中8088cp
(1)
称为质量热容比，也称“比热[容]比”，它是气体的质
量定压热容cp与质量定容热容cV的比值;M 是气体的摩尔质量，T是绝对温度，R=(1±×10-6)Jmol-1K-1为摩尔气体常量。)
标准干燥空气的平均摩尔质量为Mst =�8�710-3kg/mol b.在标准状态下(T0�8�
K,p�8��8�8kPa)，干燥空气中的声速
为v0=。在室温t℃下，干燥空气中的声速为
v88v0
(2)
(T0=)
c.然而实际空气总会有一些水蒸气。当空气中的相对湿度为r时，若气温为t℃时饱和蒸气压为pS，则水汽分压为rps。经过对空气平均摩尔质量 M 和质量热容比8�0 的修正，在温度为t、相对湿度为r的空气中，声速为
(在北京大气压可近似取p�8�4 101kPa;相对湿度r可从干湿温度计上读出。温度t℃时的饱和水汽压ps可用lgps�8��8�21780�8�0trp�8�3v8833�8�01s�8�416�8�5 m s (3)计算)
d.式(3)的计算结果与实际的超声声速真值可能有一定偏差。
引起偏差的原因有： ~状态参量的测量误差 ~理想气体理论公式的近似性~实际超声声速还与频率有关的声“色散”现象等。
实验方法：
A. 脉冲法：利用声波传播时间与传播距离计算声速
实验中用脉冲法测量，具体测量从脉冲声源(声发射器)到声探测器
之间的传播时间tSD和距离lSD，进而算出声速v (实验中声源与探测器之间基本是同一被测煤质)
lSD
v88t
B. 利用声速与频率、波长的关系测量(要求声发射器的直径显著大于波长、声探测器的的直径小于波长(反射很少))测波长的方法有
B-1 行波近似下的相位比较法 B-2 驻波假设下的振幅极值法
B-3 发射器与探测器间距一定时的变频测量法
实验步骤：
1)用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速
a. 正确接线 将信号发生器的输出连接到声速仪的超声发射器信号的输入端的T型三通接头上，三通的另一个借口用导线连到示波器的`一个输入端。声速仪的探测信号输出端连接到示波器的另一输入端上 b. 选定频率 当探测器距离发射器约100mm时，调节信号发生器的频率，调节范围为30~50kHz，同时记录接收信号的最大峰峰值。 得到如下数据：
作出图像：
要求选定某一使探测器输出信号幅度较大的频率作为实验测量时的声波频率，所以频率应选为。
c. 测同相点位置 单向缓慢移动探测器，同时观察发射器、探测器波形，当波峰在同一竖直线上时，记录此时数显卡尺读数值。然后继续移动探测器，记录七个相邻的波峰相同的位置。
2)用驻波假设下的振幅极值法测量空气中的声速单向平移声发射器，依次找出7个相邻极大值位置，并记录。
3)用行波近似下的相位比较法测量水中的声速
实验步骤与在空气中的实验步骤基本相同(除了实验开始时把实验装置换为的水中的实验装置)频率为：
实验结果：
1)用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速
数据记录如下：
实验前的气温℃ 相对湿度 实验后的气温℃ 相对湿度
由此计算出的空气中的理论值为：v=
用最小二乘法直线拟合的方法求波长得：λ=(±)mm 声速：(±)m/s 理论偏差：
2)用驻波假设下的振幅极值法测量空气中的声速
数据记录如下：
用最小二乘法直线拟合的方法求波长得：λ=(±)mm 声速：(±)m/s 理论偏差：
4)用行波近似下的相位比较法测量水中的声速
数据记录：
用最小二乘法直线拟合的方法求波长得：(λ=±)mm 声速：(±)m/s
总结与反思：这次实验使我认识到自己对实验仪器了解的不足。
声速测量实验报告 第3篇
实验目的:测量声音在空气中的传播速度。
实验器材:温度计、卷尺、秒表。
实验地点:xxx状元桥东。
实验人员:爱物学理小组
实验分工:张灏、成立敬——测量时间
张海涛——发声
贾兴藩——测温
实验过程:
1 测量一段开阔地长;
2 测量人在两端准备;
3 计时员挥手致意,发声人准备发声;
4 发生人向上举手,同时发声,计时员计时(看到举手始,听到声音止)
5 多测几次,记录数据。
实验结果:
时间 17∶30
温度 21℃
发声时间 ″
发声距离 93m
实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为.
实验反思:有一定误差,卡表不够准确。
声速测量实验报告 第4篇
向右传播的一列波 u_1=A\cos(\omega t-kx+\phi_0) ，遇到墙壁反弹，代入初始条件后得到 u_2=A\cos(\omega t+kx+\phi_0) ，两个波的叠加是
\begin{align} u_{1+2}&=u_1+u_2\\ &=2A\cos(\omega t+\phi_0)\cos(kx)\\ &=[2A\cos(kx)]\cos(\omega t+\phi_0)\\ &=A_*(x)\cos(\omega t +\phi). \end{align}
A_*(x)=2A\cos(kx) 可以看作是叠加后的波在 x 处的新振幅。
形成波节的条件是类似“弦线”的介质两端都发生这样的反射，而且只有 L=n\lambda /2,\ n\in \N_+ 才能保证在所谓波节的地方振幅为零。
声速测量实验报告 第5篇
实验目的:测量声音在空气中的传播速度。
实验器材:温度计、卷尺、秒表。
实验地点:xxx状元桥东。
实验人员:爱物学理小组
实验分工:张x——测量时间
张x——发声
贾x——测温
实验过程:
1 测量一段开阔地长;
2 测量人在两端准备;
3 计时员挥手致意,发声人准备发声;
4 发生人向上举手,同时发声,计时员计时(看到举手始,听到声音止)
5 多测几次,记录数据。
实验结果:
时间 17∶30
温度 21℃
发声时间 ″
发声距离 93m
实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为.
实验反思:有一定误差,卡表不够准确。
声速测量实验报告 第6篇
在函数发生器上读出频率 \nu=(\pm ){\rm kHz} ，计算波长 \lambda=(\){\rm mm} ，通过不确定度的传递公式得到 v=\lambda\nu={\rm ms^{-1}} 。
\sigma_v=\sqrt{\left(\frac{v}{\nu}\sigma_{\nu}\right)^2+\left(\frac{v}{\lambda}\sigma_{\lambda}\right)^2}={\rm ms^{-1}}.
实验结果为
v=(\pm ){\rm ms^{-1}}.
波长只有四组，看起来不太够，但是当时的原始数据我只以照片的方式保留了这些，现在去不了实验室，而且再复现也要全部重新来过。
声速测量实验报告 第7篇
打开示波器和函数发生器电源（一般一分钟即可达到工作温度），在这个期间对正换能器的两个压电陶瓷片。
将声速测定仪预设在 10\sim 12{\rm cm} 左右。
调节示波器到工作状态，调节函数发生器到 30{\rm kHz} ，连接电路。
在示波器上调处稳定波形（需要按下 {\times}5{\rm MAG} ，扩大振幅来减小读数带来的相对误差），微调频率和换能器距离知道显示出一个谐振态，调节声速测定仪上的旋钮减小两个换能器之间的距离，得到一系列谐振态对应的距离 x_i,\ (i=1, 2, 3, \cdots) 。
与原理所说相同，在换能器距离很近时，谐振状态下示波器屏幕上的正弦波振幅会变得很大，一般已经无法显示全，于是再慢慢增大距离，得到另一组数据 x_i^{\prime} （这次实验我没有这么做，可以看到结果基本和实际复合，但从理论上来说应该这样），这样做可以减小一定的误差。
注意在减小或增大距离时要消除回程差。
处理数据。
整理器材，关闭电源。
声速测量实验报告 第8篇
一 实验目的：
(1)加深对驻波及振动合成等理论知识的理解，
(2)掌握用驻波法、相位法测定超声波在媒介中的传播速度，
(3)了解压电换能器的工作原理，进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示波器观测物理参数的综合运用能力。
二 实验仪器：
双踪示波器一台，信号发生器一台,测试仪一台，同轴电缆若干。
三 实验原理
声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波(频率超过2×10Hz的声波)传播速度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。
(一)驻波法测量声速基本原理
如图所示为两列同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形，其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹(节)间距X的测量便可实现对波长λ的间接测量，结合对驻波谐振频率f的测量便可间接求算声波的传播速度v。
v = λ × f λ=2X v = 2X × f
原理图示1(驻波法原理图) (二)相位法测量声速基本原理
(1) 简谐振动正交合成的基本原理，
(2) 利用李萨如图形的相位差特点间接测量声速的基本原理。
四 实验内容与步骤
(一)驻波法测声速
实验连线图示1(驻波法)
(1) 了解测试仪的基本结构，调节两个换能器的间距5cm左右。 (2) 初始化示波器面板获得扫描线。
(3) 按图示1正确连线，将示波器的扫描灵敏度与通道1垂直灵敏度旋钮分别调至适当档位，缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹位置(示波器显示波形幅值最大)。
(4) 依次调节信号源的频率粗、细调旋钮，同时观察示波器显示波形幅值变化情况，幅值最大时所对应的频率即为谐振频率f，将f数值记录于(表一)。
(5) 逆时针方向转动换能器平移鼓轮至两换能器端面距离约5厘米左右，确定所选第一个波腹的位置并初始化数显读数标尺。
(6) 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹(节)位置(示波器显示波形幅值最大)并记录相应的数显标尺读数于(表一)。
(7) 重复步骤7连续记录14个波腹(节)的位置读数并记录于(表一)。
(8) 实时记录环境温度与SV8输出电压幅值V。 (二)相位法测声速
(1) 保持驻波法连线不变，另用一根电缆线连接信号源的发射波形接口与示波器通道2输入端口。
(2) 调节示波器扫描旋钮至正交档，逆时针方向转动换能器平移鼓轮观察不同相位差时的李萨如图形(斜线、椭圆、圆)。当两换能器端面距离约5厘米时停止转动。
(3) 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一正(反)斜线时停止转动换能器平移鼓轮并初始化数显读数标尺。
(4) 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一反(正)斜线时停止转动换能器平移鼓轮并将此时的数显标尺读数记录于(表二)。
(5) 重复步骤4记录14个反(正)斜线波形的位置读数并记录于(表二)。
(6) 实时记录环境温度与SV8输出电压幅值V。
(7) 结束实验归整仪器。
五 原始数据记录表(此表要求学生课前完成并绘于预习报告中)
表一 驻波法测量声波传播速度记录表
表二 相位法测量声波传播速度记录表(正反斜线法)
七 实验数据处理与实验结果
1 原始数据见原始数据记录纸，
2 数据处理采用的具体方法：列表法与逐差法
3 数据处理与实验结果
输入频率：f _36761Hz， ,环境温度：°C，电压15伏)
实验结果：
V实V
ms1
实测值与理论计算值之间的百分误差：
实V理
V100%
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