1、声速测量数据处理与思考题声速测量数据处理与思考题声速测量(1)用共振干涉法和相位比较法测声速有何相同和不同?相同之处: 都用连续波测量,均依靠示波器测量共振法:平行传播的声波与反射波产生干涉,形成驻波。改变半个波长的传播路程,驻波的波幅变化一个周期,从而可测得波长,乘以频率,得到声速。相位法: 比较接收波相对与发射波的相位差,改变一个波长的传播路径,相位变化360度,从而通过测看相位图 ,就可测得波长,乘以频率,得到声速。(2)声速测量试验中,定性分析共振法测量时声压振幅极大值随距离变大而减少的原因。这是由于声波在实际介质中传播时,由于扩散、吸收和散射等原因,会随着离开声源的距离增加而自身逐渐
2、减弱。这种减弱与传播距离、声波频率和界面等因素有关。而振幅的大小恰好表示波动能量的大小,所以随着声波的不断向前传播,振幅会逐渐变小。1. 传播衰减:点声源、面声源、线声源三种类型不同的声源,辐射出的声波波阵面形状不同,随着传播距离增加其扩散衰减的规律也不相同。2 吸收衰减:分为有空气吸收、绿色植被的吸收、气流和大气温度梯度的吸收。由于种种影响才会造成声波的衰减,在相同环境条件下,人耳可听到的声波范围为20HZ20000HZ,根据频率越高,在传播过程中更易受空气等等各种的影响的道理,故衰减得比较快。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
3、,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。声速的理论值 测量值与理论值的百分误差 2. 位相比较法测声速实验数据记录 T=20 i123456789101112Li(mm)04.659.3514.1918.8623.4728.1632.7737.5742.2446.9451.49 测量结果 声速的理论值 测量值与理论值的百分误差 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
4、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和声波波长之间的关系为v=f。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
5、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3040kHz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”(AMPLITUDE POWER)旋钮,调节到约为最大位置的三分之二。在输出频率3040kHz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
6、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3040kHz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
7、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
8、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。
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