实验4.2 测量超声波在空气中的传播速度

超声波在空气中的传播速度实验
一、故障及排除方法：
1．现象：用驻波法测声速时，移动换能器，示波器接收到的输出电压波形无大小变化。

原因：
（1）测量线损坏。

（2）发射换能器和接收换能器不垂直、不平行。

（3）示波器相关功能档位设置不合适。

（4）信号发生器输出频率偏离换能器固有谐振频率太大。

排除方法：
（1）更换测量线。

（2）调节发射换能器和接收换能器垂直、平行。

（3）调节示波器相关功能档位设置。

（4）调节信号发生器输出频率靠近换能器固有谐振频率。

2．现象：用相位法测声速时，李萨如图形只在一个方向大小变化，无法判定相位差。

原因：
（1）示波器工作方式未置于“X-Y方式”。

（2）示波器通道1（CH1）、通道2（CH2）测量端接到同一个端口造成该现象。

排除方法：
（1）应将示波器工作方式置于“X-Y方式”。

（2）应将示波器通道1（CH1）、通道2（CH2）测量端分别接发射换能器输入端和接收换能器输出端。

二、仪器维护：
1．凯特摆在长期不使用时，要在刀口处加入润滑由，然后用布盖住防尘，
摆捶要取下，摆捶最好要垂直吊挂，以免发生微小形变（弯曲）。

2．示波器在使用过程中避免长时间出现一个亮点，也不宜过亮，这样可以延长示波管的使用寿命。

信号源的按键由于使用频繁，所以要定期检查，看档位有没有发生错位现象，用频率计等仪器来校验输出频率是否在允许的误差范围内，再加以调整校对。

超声波在不同介质中的传播速度及损耗系数测量-声学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——超声波是一种在弹性介质中传播的机械波，由于其具有波长短、传播方向性好等优点，在大学物理的声速测量实验中一般选择超声波段的声波进行测量。

超声波由于其频率高、功率大、穿透能力强、信息携带量大等特点，已广泛应用于工业、农业、生物医学以及科学研究等领域，如超声波测距和定位、超声波无损检测、超声波清洗等。

描述声波的物理量有波长、频率、传播速度、强度等，对这些量的测量是声学技术的重要内容，声速的测量在声波测距、定位和无损检测中有着广泛的应用。

声速测量实验属于大学物理实验中的基础性实验，一般仅开设超声波在空气中传播速度的测量，该部分原理简单，导致实验内容不饱满，因此，根据仪器特点，可将声速测量实验改造为超声波专题设计综合实验，增设一些设计性实验内容。

测量超声波在不同介质中的传播速度;研究同一介质中随发射和接收端距离变化，接收端振幅的变化规律;计算不同介质中超声波的损耗系数等。

对于实验数据的处理要求学生使用Origin、Matlab 等软件辅助完成，在学习物理内容的同时，熟练掌握常用数据处理软件的使用，不断挖掘学生学习的积极主动性，培养学生的创新意识和能力。

1 实验原理超声波传播速度常用的测量方法有共振干涉法、相位法、反射回波法等，本文采用共振干涉法研究不同介质中超声波的传播特性。

共振干涉法又称驻波法，实验装置如图 1 所示，由示波器、声速测量仪和信号发生器组成，S1和S2为压电陶瓷换能器，利用压电效应实现声压和电压之间的相互转换。

在信号发生器产生的交变电压作用下，使发射端S1产生机械振动，将激发的超声波经介质传播到接收端S2，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，当接收端与发射端距离恰好等于半波长的整数倍时，两波叠加后形成驻波，当信号发生器的激励频率等于压电陶瓷换能器的固有频率时，会产生驻波共振。

超声波声速的测量实验报告一、实验目的1、了解超声波的产生、发射和接收的原理。

2、学会用驻波法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。

3、掌握数字示波器和信号发生器的使用方法。

二、实验原理1、驻波法当超声波在介质中传播时，若在其传播方向上遇到障碍物，就会产生反射。

当反射波与入射波频率相同、振幅相等、传播方向相反时，两者会相互干涉形成驻波。

在驻波场中，波腹处声压最大，波节处声压最小。

相邻两波腹（或波节）之间的距离为半波长。

通过测量相邻两波腹（或波节）之间的距离，就可以计算出超声波的波长，再根据超声波的频率，即可求出超声波的传播速度。

2、相位比较法从发射换能器发出的超声波通过介质传播到接收换能器，在同一时刻发射波与接收波之间存在着相位差。

当改变两个换能器之间的距离时，相位差也会随之改变。

当两个换能器之间的距离改变一个波长时，相位差会变化2π。

通过观察示波器上两列波的相位差变化，就可以测量出超声波的波长，进而求出超声波的传播速度。

三、实验仪器1、超声波实验仪2、数字示波器3、信号发生器四、实验步骤1、驻波法（1）将超声实验仪和数字示波器连接好，打开电源。

（2）调节信号发生器的输出频率，使发射换能器处于谐振状态，此时示波器上显示的正弦波振幅最大。

（3）移动接收换能器，观察示波器上正弦波振幅的变化，找到振幅最大的位置，即波腹位置；再找到振幅最小的位置，即波节位置。

（4）测量相邻两个波腹（或波节）之间的距离，重复测量多次，取平均值，计算出超声波的波长。

（5）从信号发生器上读出超声波的频率，根据公式 v ＝fλ 计算出超声波在空气中的传播速度。

2、相位比较法（1）按照驻波法的步骤连接好实验仪器，并使发射换能器处于谐振状态。

（2）将示波器的工作模式设置为“XY”模式。

（3）移动接收换能器，观察示波器上李萨如图形的变化。

当图形由直线变为椭圆，再变为直线时，接收换能器移动的距离即为一个波长。

（4）重复测量多次，取平均值，计算出超声波的波长。

声速测定实验声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。

声波在媒质中传播时，声速，声衰减等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性及状态变化。

例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量；气体、液体的比重、成分等参量。

在自由空间同一媒质中，声速一般与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。

由于超声波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。

超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。

实验目的1．了解超声换能器的工作原理和功能2．学习不同方法测定声速的原理和技术3．熟悉测量仪和示波器的调节使用4．测定声波在空气及水中的传播速度实验原理1.压电陶瓷换能器压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上会产生一定的电场E，它们满足线性关系：E=g·F反之，当在压电材料的极化方向上加电压E时，材料的伸缩形变S与电压E也呈线性关系：S=a·E系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。

本实验采用压电陶瓷超声换能器，将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动。

压电陶瓷片是换能器的工作物质，它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡，锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。

在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属，组成的夹心型振子，就构成了换能器。

由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩，这样所发射的声波，方向性强，平面性好。

每一只换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频率上，才能有效的发射(或接收)。

本实验中使用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，二换能器的表面互相平行，且谐振频率匹配。

2.声速的测量方法声速的测试方法可以分为两类。

第一类方法是直接根据速度关系式：v=S/t测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，该法称为“时差法”，这是工程应用中常用的方法。

第二类方法是利用波长频率关系式：v=f·λ测量出频率f和波长λ来计算出声速，测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”，本实验可用上述三种方法测量气体、液体以及固体中的声速。

超声波传播速度的测量超声波传播速度的测量【教学⽬的】1.学习⽤驻波共振法和相位⽐较法测量超声波在空⽓中的传播速度。

2.了解压电换能器的功能。

3.学习⽤逐差法处理数据。

【教学重点】1. 掌握本实验的原理，熟悉各仪器的使⽤。

2. 能够运⽤驻波共振法和相位⽐较法准确的测出超声波在空⽓中的传播速度。

【教学难点】理解并掌握驻波共振法和相位⽐较法测量超声波在空⽓中的传播速度的原理及⽅法。

【课程讲授】提问：1. 本实验中的超声波是如何获得的？2. 如何利⽤驻波共振法和相位⽐较法测量超声波在空⽓中的传播速度？⼀、实验原理频率介于20Hz ～20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz ～500MHz 的称为超声波，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，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采⽤的声波频率⼀般都在20KHz ～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。

根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ,其中υ为波速, λ为波长,f 为频率。

图1共振法测量声速实验装置在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。

声波的频率f 可以直接从低频信号发⽣器(信号源)上读出,⽽声波的波长λ则常⽤相位⽐较法(⾏波法)和共振⼲涉法(驻波法)来测量。

图2 相位⽐较法测量声速实验装置1.相位⽐较法实验装置接线如图2所⽰，置⽰波器功能于X －Y ⽅式。

当S1发出的平⾯超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动⽅程为：22见图(a)0=?? (b)4π?=(c)2π?=? (d)43π?=? (e)π?=? 图3 合成振动长λ和频率f ，根据式f ?=λυ即可计算出声⾳传播的速度。

改变S1和S2之间的距离L ，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L 不断变化。

显然，当S1、S2之间距离改变半个波长2/λ=?L ，则??＝π。

测量超声波在空气中的传播速度实验报告一、实验目的本实验旨在通过测量超声波在空气中的传播速度，了解超声波的特性及其在实际应用中的重要性。

二、实验原理超声波是指频率高于人类能听到的20kHz的机械波。

它具有穿透力强、反射能力弱等特点，在医学、工业等领域有广泛应用。

超声波在介质中传播速度与介质密度和弹性模量有关，而空气是一种低密度、低弹性模量的介质，因此其传播速度较慢。

三、实验器材和药品1. 超声波发生器2. 超声波接收器3. 示波器4. 计时器5. 电源线四、实验步骤及结果分析1. 实验前准备：将超声波发生器和接收器连接至示波器上，并将电源线插入电源插座。

调整示波器至合适的状态。

2. 实验过程：a) 将发生器和接收器分别放置于两个固定距离内（如10cm）。

b) 开启发生器，使其发出一个持续时间为1s的超声波信号。

c) 记录接收器接收到该信号所需的时间t。

d) 将发生器和接收器的距离增加一定值（如5cm），重复以上步骤，直至距离达到一定范围（如50cm）。

3. 结果分析：根据公式v=d/t，计算出每组数据的超声波在空气中的传播速度，并绘制出速度与距离之间的关系图。

实验结果表明，超声波在空气中的传播速度随着距离的增加而减小，且其变化趋势符合理论预期。

五、实验注意事项1. 实验时应保持环境安静，以免干扰实验结果。

2. 实验过程中要注意安全，避免发生意外伤害。

3. 实验结束后要将设备清洁干净，并妥善保管。

六、实验总结本实验通过测量超声波在空气中的传播速度，深入了解了超声波在介质中传播的规律及其在医学、工业等领域中的应用。

同时，在实验过程中也提高了我们的动手能力和科学素养。

超声声速测量实验报告超声声速测量实验报告引言：超声声速测量是一种常见的物理实验，通过测量超声波在介质中传播的速度，可以得到介质的声速。

声速是介质的重要物理特性之一，对于材料的性质研究和工程应用具有重要意义。

本实验旨在通过超声声速测量，探究不同介质中声速的变化规律，并分析实验结果。

实验原理：超声声速测量利用了声波在介质中的传播速度与介质性质之间的关系。

声波在介质中的传播速度与介质的密度和弹性模量有关。

根据声速公式，声速v与密度ρ和弹性模量E之间的关系为v = √(E/ρ)。

因此，通过测量声速和已知介质密度，可以得到介质的弹性模量。

实验装置：本实验采用的超声声速测量装置包括超声发生器、超声传感器、信号发生器、示波器等。

超声发生器产生超声波信号，经过超声传感器发射到介质中，再由超声传感器接收反射回来的超声波信号。

信号发生器和示波器用于调节和显示超声波信号。

实验步骤：1. 将超声传感器固定在介质表面上，并与超声发生器和示波器连接好。

2. 打开超声发生器和示波器，调节信号发生器的频率和示波器的触发频率，使其保持一致。

3. 调节示波器的垂直和水平控制，使示波器屏幕上显示出清晰的超声波信号。

4. 测量超声波在不同介质中的传播时间，记录下每次测量的结果。

5. 根据测量结果计算出不同介质的声速，并进行数据分析。

实验结果：通过实验测量得到了不同介质中声速的数据，并进行了统计和分析。

结果表明，声速与介质的物理性质密切相关。

在相同条件下，固体的声速通常高于液体，而液体的声速又高于气体。

这是因为固体分子之间的相互作用力较大，导致声波传播速度较快。

此外，实验结果还显示了不同介质中声速的差异。

在相同类型的介质中，声速也会因为不同的材料而有所差异。

例如，在同一种液体中，若更换不同的溶液，其声速也会有所变化。

这是因为不同溶液的密度和弹性模量不同，导致声速也有所差异。

实验讨论：通过本次实验，我们深入了解了超声声速测量的原理和方法，同时也认识到了声速与介质性质之间的密切关系。

一、实验目的1. 理解声速的概念和影响因素。

2. 学习使用声速测量仪器进行实验操作。

3. 掌握逐差法进行数据处理的方法。

4. 了解实验误差的产生及其分析方法。

二、实验原理声速是指声波在介质中传播的速度，其大小与介质的性质有关。

在空气中，声速受温度、湿度等因素的影响。

本实验旨在测量空气中声速，通过测量超声波在空气中的传播时间，计算出声速。

三、实验仪器与设备1. 声速测量仪2. 秒表3. 温度计4. 湿度计5. 标准大气压计6. 空气泵7. 空气管道8. 超声波发生器9. 接收器四、实验步骤1. 将声速测量仪连接到超声波发生器和接收器上，并调整好仪器的参数。

2. 在实验室内搭建空气管道，将超声波发生器和接收器分别安装在管道的两端。

3. 使用空气泵向管道内充气，直至达到标准大气压。

4. 使用温度计和湿度计测量实验环境中的温度和湿度，并记录数据。

5. 打开超声波发生器，产生超声波信号，同时启动秒表计时。

6. 当超声波信号到达接收器时，立即停止秒表，记录超声波的传播时间。

7. 重复步骤5和6，进行多次测量，取平均值作为最终结果。

五、数据处理1. 计算超声波在空气中的传播速度：v = d / t其中，v为声速，d为超声波在空气中的传播距离，t为超声波的传播时间。

2. 使用逐差法对多次测量的数据进行处理，减小误差：设n次测量的声速分别为v1、v2、...、vn，则平均声速为：v = (v1 + v2 + ... + vn) / n六、实验结果与分析1. 实验数据：温度：20℃湿度：50%标准大气压：101.325 kPa超声波传播距离：5 m多次测量的声速：v1 = 343.2 m/s，v2 = 343.5 m/s，v3 = 343.3 m/s，v4 = 343.4 m/s，v5 = 343.6 m/s2. 计算平均声速：v = (343.2 + 343.5 + 343.3 + 343.4 + 343.6) / 5 = 343.4 m/s3. 分析实验误差：实验误差主要来源于温度、湿度和仪器精度。

一、实验项目名称：声速测量二、实验目的：1.学会测量超声波在空气中传播速度的方法。

2.理解驻波和振动合成理论。

3.学会逐差法进行数据整理。

4.了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。

三、实验原理：1. 声波在空气中的传播速度：在标况下，干燥空气中的声速为v=s，T=。

室温t℃时，干燥空气的声速为 v=v。

（1+t/T。

）^(1/2)2. 测量声速的实验方法：v=fλ式中，v声速，f声源震动频率，波长。

I．相位法波是震动状态的传播，即相位的传播。

若超声波发生器发出的声波是平面波，当接受器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。

沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置使得接受到的信号与发射器的激励电信号同相。

继续移动接受器，直到找到的信号再一次与发射器的激励电信号同相时，移过的这段距离就等于声波的波长。

需要说明的是，在实际操作中，用示波器测定电信号时，由于换能器振动的传递或放大电路的相移，接受器端面处的声波与声源并不同相，总是有一定的相位差。

为了判断相位差并测量波长，可以利用双踪示波器直接比较发射器的信号和接收器的信号，进而沿声波传播方向移动接收器寻找同相点来测量波长；也可以利用李萨如图形寻找同相或反相时椭圆退化成直线的点。

II．驻波法按照波动理论，超声波发生器发出的平面声波经介质到接收器，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，于是平面声波在两端面间来回反射并叠加。

当接收端面与当接受端面与发射头间的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加后的波就形成驻波。

此时相邻两波节（或波腹）间的距离等于半个波长（即）。

当发生器的激励频率等于驻波系统的固有频率（本实验中压电陶瓷的固有频率）时，会产生驻波共振，波腹处的振幅达到最大值。

声波是一种纵波。

由纵波的性质可以证明，驻波波节处的声压最大。

当发生共振时，接收端面处为一波节，接收到的声压最大，转换成的电信号也最强。

移动接收器到某个共振位置时，示波器上又会出现了最强的信号，继续移动接收器到某个共振位置，再次出现最强的信号，则两次共振位置之间距离为λ/2。

声速测定实验声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。

声波在媒质中传播时，声速，声衰减等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性及状态变化。

例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量；气体、液体的比重、成分等参量。

在自由空间同一媒质中，声速一般与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。

由于超声波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。

超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。

实验目的1．了解超声换能器的工作原理和功能2．学习不同方法测定声速的原理和技术3．熟悉测量仪和示波器的调节使用4．测定声波在空气及水中的传播速度实验原理1.压电陶瓷换能器压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上会产生一定的电场E，它们满足线性关系：E=g·F反之，当在压电材料的极化方向上加电压E时，材料的伸缩形变S与电压E也呈线性关系：S=a·E系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。

本实验采用压电陶瓷超声换能器，将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动。

压电陶瓷片是换能器的工作物质，它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡，锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。

在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属，组成的夹心型振子，就构成了换能器。

由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩，这样所发射的声波，方向性强，平面性好。

每一只换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频率上，才能有效的发射(或接收)。

本实验中使用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，二换能器的表面互相平行，且谐振频率匹配。

2.声速的测量方法声速的测试方法可以分为两类。

第一类方法是直接根据速度关系式：v=S/t测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，该法称为“时差法”，这是工程应用中常用的方法。

第二类方法是利用波长频率关系式：v=f·λ测量出频率f和波长λ来计算出声速，测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”，本实验可用上述三种方法测量气体、液体以及固体中的声速。