声速测量数据处理范文模板 10页.docx
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声速测量数据处理范文模板10页
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声速测量数据处理
篇一：
声速测量习题及数据处理
声速测量
填空题
1．声速测量实验中，采用驻波共振法测量声速时，要使函数信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率，并且在实验过程中保持不变。
2．声速测量实验使用的声速测量仪，是利用压电晶体的压电效应，在交变电压的作用下使压电体产生机械振动，从而在空气中激发出超声波。
3．声波的传播速度v，声源的振动频率f和声波波长λ之间的关系为v=fλ。
声速测量实验测波长常用的方法有共振干涉法和位相比较法。
4．声速测量实验中是通过压电晶体的压电效应来发射和接收声波。
6．声速测量采用位相比较法测波长时，可通过示波器观察李萨如图形判断相位差。
李萨如图形一般是稳定的椭圆。
当相位差为0或π时，椭圆变为倾斜的直线。
7．声速测量采用共振干涉法测波长时，当接收端面与发射端面之间的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加后的波形成驻波。
此时相邻两波节（或波腹）间的距离等于半个波长。
简答题
1.实验中为什么要在超声换能器谐振状态下测量？
答：
在谐振状态下超声换能器的纵向伸缩幅度大，发射的声波强；接收换能器接收的声压大，输出的电信号强。
这样，可以提高测量的灵敏度，较为准确的确定驻波的波节，有利于准确地测量声波的波长。
2.实验中怎样找到超声换能器的谐振频率？
答：
实验中所使用的超声换能器的谐振频率在30～40kHz之间，可以通过以下两种方法找到换能器的谐振频率。
（1）方法一：
根据发射换能器的谐振指示灯调节
逆时针调节函数信号发生器的“电源开关幅度调节”（AMPLITUDEPOWER）旋钮，调节到约为最大位置的三分之二。
在输出频率30～40kHz范围内仔细调节“频率微调”（FINE）旋钮，使声波发射换能器旁边的指示灯点亮。
这时，信号发生器的输出频率即为换能器的谐振频率。
（2）方法二：
根据接收换能器的输出信号调节
调节两换能器发射面和接收面之间的距离约为1cm左右，用示波器观察接收换能器的输出信号，在输出频率30～40kHz范围内仔细调节函数信号发生器的“频率微调”（FINE）旋钮，使接收换能器的输出电压信号最大。
此时，信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率。
3.相位比较法测量声速时，怎样才能在示波器上观察到李萨如图形？
选择什么样的
李萨如图形进行测量？
答：
采用相位比较法进行测量时需要判断相位差，通过示波器观察李萨如图形可以判断相位差。
李萨如图形可以由两个相互垂直的简谐振动的叠加形成。
因此，为了在示波器上观察到李萨如图形，发射换能器的输入信号和接收换能器的输出信号必须一个作为示波器的“Y”输入，另一个作为“X”输入。
实验中，可以将发射换能器的输入信号接示波器的“Y”输入；将“拉Y1（X）”旋钮拉出，接收换能器的输出信号接“X”输入。
适当调节Y1和Y2两个通道的灵敏度选择开关以及“X”和“Y”位移旋钮，可以在示波器上观察到完整的李萨如图形。
实验中由于输入示波器的是频率严格一致两个信号，因此李萨如图形一般是稳定的椭圆。
当相位差为0或π时，椭圆变为倾斜的直线。
测量时选择判断比较灵敏的直线形李萨如图形进行测量。
以某一个直线位置作为测量的起点，相位差每变化π即距离变化半个波长，李萨如图形从斜率为正或负的直线变为负或正的直线。
4.实验中为什么要使换能器发射面和接受面要保持相互平行？
答：
换能器发射面发出的声波经空气传播到接受面，接受面在接收声波信号的同时反射部分声波信号。
当接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波在发射面与接受面之间相干涉形成驻波。
5.实验中信号发生器和示波器各起什么作用？
答：
利用信号发生器提供数十千赫兹频率的交流电信号，利用示波器来观察经换能器接收面产生的电信号波形。
6.用共振干涉法和位相比较法测声速有何不同和相同？
答：
两种测量声速的方法都是利用v?
f?
来计算声速。
不同点在于对波长的测量方法不用，共振干涉法是测量入射声波与反射声波形成的驻波波长；位相比较法是通过比较入射波和反射波的相位差来确定波长。
7.不用波长的声波在相同介质中声速相同吗？
为什么？
答：
相同。
因为声波是一种在弹性媒质中传播的纵波，声速是振动状态的传播速度，它的大小只与媒质的弹性、密度和温度有关，在一定的媒质中，声速为常数。
声速测量实验数据处理：
要求：
（1）用逐差法处理数据，计算超声波的波长；
（2）利用不确定度的间接传递，计算超声波传播速度的不确定度，并表示出测量结果；
（3）计算测量时声速的理论值，并与测量值比较，得出百分误差。
1.共振干涉法测声速实验数据记录
共振频率f?
37.056KHzT=20℃
?
L1?
?
L2?
?
L3?
?
L4?
?
L5?
?
L6?
?
L?
L7?
L16L8?
L26L9?
L3?
?
?
32.86?
4.71637.74?
9.36?
4.692mm?
4.730mm?
4.700mm642.32?
14.126L10?
L46L11?
L56L12?
L666?
?
?
646.78?
18.73651.56?
23.43?
4.675mm?
4.688mm?
4.725mm656.37?
28.0261
6?
?
L
i?
1i?
4.702mm
?
2?
L?
9.404mm
=f?
37.056?
9.404?
348.475mm
UA（?
L）?
UB（?
L）?
?
?
?
0.00884mm?
0.00577mm
UC（?
L）?
?
0.0106mm
UC（?
）?
2UC（?
L）?
0.0212mm
UC（v）?
fUC（?
）?
37.056?
0.0212?
0.786m/s
480?
v?
?
UC（v）?
?
348.?
?
.79m/s?
测量结果?
UC（v）0.79?
100%?
?
100%?
0.23%?
Ev?
348.48?
声速的理论值
v理?
v'?
331.?
?
v理
v理?
520343.41m/s测量值与理论值的百分误差E?
?
100%?
348.4?
834.41?
100?
%343.411.5%
2.位相比较法测声速实验数据记录共振频率f?
37.056KHzT=20℃
?
L1?
?
L2?
?
L3?
L7?
L16L8?
L26L9?
L3?
?
?
28.16?
0632.77?
4.65637.57?
9.35?
4.693mm?
4.687mm?
4.703mm6
42.24?
14.19?
L4?
?
?
4.675mm66
L?
L546.94?
18.86?
L5?
11?
?
4.680mm66
L?
L651.49?
23.47?
L6?
12?
?
4.670mm666L10?
L4
?
L?
1
6?
?
L
i?
16i?
4.685mm
?
2?
L?
9.370mm
=f?
37.056?
9.370?
347.299mmUA（?
L）?
UB（?
L）?
?
?
?
0.00497mm?
0.00577mm
UC（?
L）?
?
0.00762mm
UC（?
）?
2UC（?
L）?
0.0152mm
UC（v）?
fUC（?
）?
37.056?
0.0152?
0.563m/s
300?
v?
?
UC（v）?
?
347.?
?
.57m/s?
测量结果?
UC（v）0.57?
100%?
?
100%?
0.16%?
Ev?
347.30?
声速的理论值
v理?
v'?
331.?
?
v理
v理?
520343.41m/s测量值与理论值的百分误差E?
?
100%?
347.3?
034.41?
100?
%343.411.1%
篇二：
大学物理实验---声速的测定数据处理
由于本实验中，声速和波长的函数关系可表达为多项式形式，波长和所测得距离也为比例函数，且在实验测量的过程中自变量为等间距变化，因此采用逐差法测量数据。
其优点是能充分利用测量数据而求得所需要的物理量,提高测量精度。
一、共振干涉法测量空气中的声速
由干涉理论可知，ΔL=λ/2，V=fλ=2fΔL这两组线性关系。
实验中等间距的出现波腹或波节，相当于游标卡尺的位置也是等间距来变化的，对测量的数据进行逐差法处理数据。
由逐次相减的数据可判断出Δli基本相等，验证了ΔL与λ的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。
因此有ΔL平均=×?
?
?
?
?
?
，ΔL平均=4.802mm,
?
?
?
?
平均×4.802×10=355.348m/s，并且此速度是在温度T0=300K测
得。
二、相位比较法测量空气中的声速
实验中采用测量两个相同李萨如图像的位置点来测量波长。
选取的李萨如图形是?
?
=π时的斜直线，比较容易判断，减小实验误差，测得的数据进行逐差法处理。
由逐次相减的数据也可判断出Δli基本相等，验证了ΔL与λ的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。
因此
有ΔL平均=×?
?
?
?
?
?
，ΔL平均=9.444mm,
?
?
?
?
平均×9.444×10=349.428m/s，并且此速度也是在温度T0=300K测得
的。
三、时差法测量空气中的声速
由逐次相减的数据也可判断出Δti基本相等，验证了Δti与V的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。
因此
有Δt平均=×?
?
?
?
?
?
，Δt平均=14.2us,ΔL=20mm,V=
?
?
?
?
?
?
?
?
平均
?
?
?
?
=?
?
?
?
.?
?
×?
?
?
?
?
?
?
=1408.451m/s,并且此速度也是在温度T0=300K测得的。
?
?
?
?
×?
?
?
?
?
?
?
通过查阅相关资料得知，声音15℃的标准空气中的传播速度为340m/s，25℃时为
346m/
s；声音在25℃的蒸馏水中传播速度为1497m/s，在25℃的海水中的传播速度为1531m/s。
并且，声音在介质中传播会受到温度的影响。
有关的研究表明，声音传播速度与温度是成正比的，在近地层中，当气温随高度增加而降低时，声音的传播速度虽高度增加而减小，声音的射线就会向上弯曲；反之，当气温随高度增加而升高，声音的传播速度就会随高度的增加而增加，声波射线呈向下弯曲状，给人的听觉就是“声音在下沉”。
因此，三次实验数据的得出还是比较好的符合了这个客观规律。
共振法和相位法测得声速的大小出现了比较大的波动，比如在读数上，李萨如图像的判别上存较大误差。
并且个别数据的值明显不符合规律，其实是应该进行试验修正的。
篇三：
声速测定以及声速数据处理
【实验目的】
1．了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。
2．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。
3．通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。
【实验原理】
在波动过程中波速V、波长?
和频率f之间存在着下列关系：
V?
f?
?
，实验中可通过测定声波的波长?
和频率f来求得声速V。
常用的方法有共振干涉法与相位比较法。
声波传播的距离L与传播的时间t存在下列关系：
L?
V?
t，只要测出L和t就可测出声波传播的速度V，这就是时差法测量声速的原理。
1．共振干涉法（驻波法）测量声速的原理：
当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。
对于波束1：
时，叠加后的波形成波束3：
F3?
2A?
cos?
2?
?
X/?
?
?
cos?
t，这里?
为声波的角频率，t为经过的时间，X为经过的距离。
由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按F1?
A?
cos（?
t?
2?
?
X/?
）、波束2：
F2?
A?
cos?
?
t?
2?
?
X/?
?
，当它们相交会cos?
2?
?
X/?
?
变化。
如图28.1所示。
压电陶瓷换能器S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器S2则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。
声源S1发出的声波，经介质传播到S2，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。
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S2处的振动情况。
移动S2位置（即改变S1与S2之间的距离），你从示波器显示上会发现当S2在某些位置时振幅有最小值或最大值。
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?
/2。
为测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓
图28.1共振干涉法原理图
慢的改变S1和S2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S2移动过的距离亦为?
/2。
超声换能器S2至S1之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声波测试仪信号源频率显示窗口直接读出。
在连续多次测量相隔半波长的S2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。
2．相位法测量原理
声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。
但它和声源的振动相位差?
?
不随时间变化。
设声源方程为：
F1?
F01?
cos?
t
距声源X处S2接收到的振动为：
F2?
F02?
cos?
（t?
X）Y
两处振动的相位差：
?
?
?
?
XY
当把S1和S2的信号分别输入到示波器X轴和Y轴，那么当X?
n?
?
即?
?
?
2n?
时，合振动为一斜率为正的直线，当X?
?
2n?
1?
?
/2，即?
?
?
?
2n?
1?
?
时，合振动
为一斜率为负的直线，当X为其它值时，合成振动为椭圆（如图28.2
）。
图28.2接收信号与发射信号形成李萨如图
3．时差法测量原理
以上二种方法测声速，是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波的相位差，原理是正确的，但存在读数误差。
较精确测量声速的方法是采用声波时差法，时差法在工程中得到了广泛的应用。
它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过时间t后，到达距离为L处的接收换能器，那么可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度，速度为V?
L/t
。
图28.3相位法原理图
【实验仪器】
实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的SV6型声速测量组合仪及SV5型声速测定专用信号源各一台，其外形结构见图28.4
。
图28.4SV6型声速测量组合仪实物照片
组合仪主要由储液槽、传动机构、数显标尺、两副压电换能器等组成。
储液槽中的压电换能器供测量液体声速用，另一副换能器供测量空气及固体声速用。
作为发射超声波用的换能器S1固定在储液槽的左边，另一只接收超声波用的接收换能器S2装在可移动滑块上。
上下两只换能器的相对位移通过传动机构同步行进，并由数显表头显示位移的距离。
S1发射换能器超声波的正弦电压信号由SV5声速测定专用信号源供给，换能器S2把接收到的超声波声压转换成电压信号，用示波器观察；时差法测量时则还要接到专用信号源进行时间测量，测得的时间值具有保持功能。
实验时用户需自备示波器一台；300mm游标卡尺一把，用于测量固体棒的长度。
图28.5共振干涉法、相位法（上）、时差法（下）测量连线图
【实验内容】
1.声速测量系统的连接
声速测量时，SV5专用信号源、SV6测试仪、示波器之间，连接方法见图28.5。
2.谐振频率的调节
根据测量要求初步调节好示波器。
将专用信号源输出的正弦信号频率调节到换能器的谐振频率，以使换能器发射出较强的超声波，能较好地进行声能与电能的相互转换，以得到较好的实验效果，方法如下：
（1）将专用信号源的“发射波形”端接至示波器，调节示波器，能清楚地观察到同步的正弦波信号；
（2）专用信号源的上“发射强度”旋钮，使其输出电压在20VP?
P左右，然后将换能
器的接收信号接至示波器，调整信号频率?
25kHz~45kHz?
，观察接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5kHz~39.5kHz之间，因不同的换能器或介质而异）电压幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，记录此频率fi。
（3）改变S1、S2的距离，使示波器的正弦波振幅最大，再次调节正弦信号频率，直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值。
共测5次取平均频率f。
3.共振干涉法、相位法、时差法测量声速的步骤
（1）共振干涉法（驻波法）测量波长
将测试方法设置到连续方式。
按前面实验内容二的方法，确定最佳工作频率。
观察示波器，找到接收波形的最大值，记录幅度为最大时的距离，由数显尺上直接读出或在机械刻度上读出；记下S2位置X0。
然后，向着同方向转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化（同时在示波器上可以观察到来自接收换能器的振动曲线波形发生相移），逐个记下振幅最大的X1，X2，?
X9共10个点，单次测量的波长?
i?
2?
Xi?
Xi?
1。
用逐差法处理这十个数据，即可得到波长?
。
（2）相位比较法（李萨如图法）测量波长
将测试方法设置到连续波方式。
确定最佳工作频率，单踪示波器接收波接到“Y”，发射波接到“EXT”外触发端；双踪示波器接收波接到“CH1”，发射波接到“CH2”，打到“X?
Y”显示方式，适当调节示波器，出现李萨如图形。
转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记下S2的位置X0，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器S2的振动波形发生了2?
相移。
依次记下示波器屏上斜率负、正变化的直线出现的对应位置X1，X2，?
X9。
单次波长?
i?
2?
Xi?
Xi?
1。
多次测定用逐差法处理数据，即可得到波长?
。
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