20xx聲速的測量與示波器的使用實驗報告(張志林)(編輯修改稿)
2025-01-11 23:48 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 器用具】
頻率20Hz20kHz的機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中傳播形成聲波，高于20kHz稱為超聲波，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點，聲速實驗所采用的聲波頻率一般都在20～60kHz之間。在此頻率范圍內(nèi)，采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器、接收器效果最佳。
圖1 縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖
壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，分為縱向（振動）換能器、徑向（振動）換能器及彎曲振動換能器。聲速教學(xué)實驗中所用的大多數(shù)采用縱向換能器。圖1為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。
（駐波法）測量聲速
假設(shè)在無限聲場中，僅有一個點聲源S1（發(fā)射換能器）和一個接收平面（接收換能器S2）。當(dāng)點聲源發(fā)出聲波后，在此聲場中只有一個反射面（即接收換能器平面），并且只產(chǎn)生一次反射。
在上述假設(shè)條件下，發(fā)射波ξ1=Acos（ωt+2πx /λ)。在S2處產(chǎn)生反射，反射波ξ
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=A1cos（ωt+2πx /λ)，信號相位與ξ1相反，幅度A1＜A。ξ1與ξ2在反射平面相交疊加，
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合成波束ξ
ξ3=ξ1+ξ2=(A1+A2）cos（ωt2πx /λ)+A1cos（ωt+2πx /λ) =A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos（ωt 2πx /λ)
由此可見，合成后的波束ξ3在幅度上，具有隨cos(2πx /λ)呈周期變化的特性，在相位上，具有隨(2πx /λ)呈周期變化的特性。
圖4所示波形顯示了疊加后的聲波幅度，隨距離按cos(2πx /λ)變化的特征。
發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離
圖2 換能器間距與合成幅度
實驗裝置按圖7所示，圖中S1和S2為壓電陶瓷換能器。S1作為聲波發(fā)射器，它由信號源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號，由逆壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而S2則作為聲波的接收器，壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號產(chǎn)生的正弦波形。由于S2在接收聲波的同時還能反射一部分超聲波，接收的聲波、發(fā)射的聲波振幅雖有差異，但二者周期相同且在同一線上沿相反方向傳播，二者在S1和S2區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了波的干涉，形成駐波。我們在示波器上觀察到的實際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器S2處的振動情況。移動S2位置（即改變S1和S2
之間的距離），你從示
波器顯示上會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)S2在某此位置時振幅有最小值。根據(jù)波的干涉理論可以知道：任何二相鄰的振幅最大值的位置之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為λ/ 2。為了測量聲波的波長，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時，緩慢的改變S1和S2之間的距離。示波器上就可以看到聲振動幅值不斷地由最大變到最小再變到最大
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