SV-DH系列声速测试仪 (1)

声速测量实验

电

子

教

案

东北大学秦皇岛分校

实验教育中心

一、概述

SV-DH系列声速测试仪为观察、研究声波在不同介质中传播现象，测量这些介质中声波传播速度的专用仪器。仪器由声速专用测试架及专用信号源二部分组成，可用于大学基础物理实验。

SV-DH系列声速测试仪不但覆盖了基础物理声速实验中常用的二种测试方法，而且，在上述常规测量方法基础上还可以用工程中实际使用的声速测量方法时差法进行测量。在时差法工作状态下，使用示波器，可以非常明显、直观地观察声波在传播过程中经过多次反射、叠加而产生的混响波形。

二、型号与组成

SV-DH系列声速测试仪是由声速测试仪（测试架）和声速测试仪信号源二个部分组成。下列声速测试仪都可增加固体声速测量装置，用于固体声速的测量。

对于声速测试架，有以下型号：

SV-DH-3型声速测定仪（支架式、千分尺读数）；

SV-DH-3A型声速测定仪（支架式、数显容栅尺读数）；

SV-DH-7型声速测定仪（液槽可脱卸、千分尺读数）。

SV-DH-7A型声速测定仪（液槽可脱卸、数显容栅尺读数）。

对于信号源，有以下型号：

SVX-3型声速测定信号源（频率范围25kHz～45kHz，带时差法测量脉冲信号源）；

SVX-5型声速测定信号源（频率范围25kHz～45kHz，带时差法测量脉冲信号源）；

SVX-7型多功能信号源（频率范围50Hz～45kHz、带时差法测量脉冲信号源）；

图1列出SVX-5、SVX-7声速测试仪信号源面板，图2为声速测试仪外形示意图。

图1 SVX-5、SVX-7声速测试仪信号源面板

调节旋钮的作用：

信号频率：用于调节输出信号的频率；

发射强度：用于调节输出信号电功率（输出电压），仅连续波有效；

接收增益：用于调节仪器内部的接收增益。

图 2 声速测试架外形示意图

三、主要技术参数

1. SV-DH声速测试仪

1.1 环境适应性：工作温度10～35℃；相对湿度25～75%。

1.2 抗电强度：仪器能耐受50Hz正弦波500V电压1min耐压试验。

1.3 压电陶瓷换能器谐振频率：37±3kHz；可承受的连续电功率不小于15W。

1.4 两换能器之间测试距离：50～280mm(支架式）；50～290mm（水槽式）

1.5 测试架外形尺寸：480mm×140mm×152mm（支架式）

530mm×140mm×160mm（水槽式）

2. SVX-3型声速测试仪信号源

2.1 功率信号源

2.1.1 频率范围：25kHz～45kHz

2.1.2 输出电压：大于10Vp-p

2.1.3 频率显示：5位LED数字显示

2.2 脉冲调制信号源：频率：36.5kHz，脉冲宽度：27μs，脉冲周期：60ms

2.3 计数定时器：计数定时范围：1μs ～1s ，分辨率：1μs

2.4 连续波、脉冲波切换测量

2.5 测量方法：驻波法、相位法、时差法、竖立法

2.6 测量介质：空气、固体（需另配SVG 型固体测量装置）

2.7 仪器外形尺寸：290mm ×240mm ×120mm

3. SVX-5型综合声速测试仪信号源

3.1 测量介质：空气、液体、固体（需另配SVG 型固体测量装置）

3.2 其他同SVX-3型声速测试仪信号源

4. SVX-7型通用信号源

4.1 频率范围：50～500Hz ，500Hz ～5kHz ，5kHz ～50kHz

4.2 其他同SVX-5型声速测试仪信号源

四、实验原理

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。

图3 纵向换能器的结构简图。

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。图3为纵向换能器的结构简图。

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S1（发射换能器）和一个接收平面（接收

换能器S2）。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=A 1cos （ωt+2πx/λ)。在S2处产生反射，反射

波ξ2=A 2cos （ωt-2πx/λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A 2＜A 1。ξ1与ξ2在反射平

面相交叠加，合成波束ξ 3

ξ3=ξ1+ξ2=A 1cos （ωt+2πx/λ) + A 2cos （ωt-2πx/λ)

压电陶瓷片

= A 1cos （ωt+2πx/λ) +A 1cos （ωt-2πx/λ)+（A 2-A 1）cos （ωt-2πx/λ)

=2A 1cos(2πx/λ)cos ωt+（A 2-A 1）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（A 2-A 1）cos （ωt-2πx/λ)

变化。图4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S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器，它

由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2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S2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S1和S2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S2处的振动情况。移动S2位置（即改变S1和S2之间的距离），从示波器显示上会发现，当S2在某此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的距离为λ/2；S2移动过的距离亦为λ/2。超声换能器S2至S1之间的距离的改变可通过转动鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。

图4 换能器间距与合成幅度

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。

3. 相位法测量原理

发射换能器与接收换能器之间的距离

图5 用李萨如图观察相位变化

由前述可知入射波ξ

1与反射波ξ

2

叠加，形成波束ξ

3

=2A

1

cos(2πx /λ)cosω

t+（A

2-A

1

）cos（ωt - 2πx /λ)相对于发射波束：ξ

1

=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5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

图6 发射波与接收波

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。

五、实验内容

图7 驻波法、相位法连线图

1.仪器在使用之前，加电开机预热15min。在接通市电后，自动工作在连续波方式，这时脉冲波强度选择按钮不起作用。

2. 驻波法测量声速。

2.1 测量装置的连接

如图7所示，信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出一定频率的功率信号，请接至测试架的发射换能器（S1）；信号源面板上的发射端的发射波形Y1，请接至双踪示波器的CH1（Y1），用于观察发射波形；接收换能器（S2）的输出接至示波器的

2.2 测定压电陶瓷换能器的测试频率工作点

只有当换能器S1的发射面和S2的接收面保持平行时才有较好的接收效果。为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到换能器S1、S2的谐振频率处时，才能较好的进行声能与电能的相互转换（实际上有一个小的通频带），S2才会有一定幅度的电信号输出，才能有较好的实验效果。

换能器工作状态的调节方法如下：首先调节发射强度旋钮，使声速测试仪信号源输出合适的电压，再调整信号频率（在25～45kHz之间），观察频率调整时CH2（Y2）通道的电压幅度变化。合适选择示波器的扫描时基t/div和通道增益，并进行调节，使示波器显示稳定的接收波形。在某一频率点处（34～40kHz之间），电压幅度明显增大，再适当调节示波器通道增益，仔细地细调频率，使该电压幅度为极大值，此频率即是压电换能器相匹配的一个谐振工作点，记录频率F

N

。改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重新调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率f。

在一定的条件下，不同频率的声波在介质中的传播速度是相等的。利用换能器的不同谐振频率的谐振点，可以在用一个谐振频率测量完声速后，再用另外一个谐振频率来测量声速，就可以验证以上结论。

2.3 测量步骤

将测试方法设置到连续波方式，选择合适的发射强度。完成前述2.1、2.2步骤后，选好谐振频率。然后转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，记录下

幅度为最大时的距离L

i-1

，距离由数显尺（SV-DH-3A、SV-DH-7A型）或在机械刻度（SV-DH-3、SV-DH-7型）上读出，数显尺原理说明见附录2。再向前或者向后（必

须是一个方向）移动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离L

i

。

即可求得声波波长：λ

i =2│L

i

-L

i-1

│。多次测定，用逐差法处理数据。

3.相位法/李萨如图法测量波长的步骤

将测试方法设置到连续波方式，选择合适的发射强度。完成前述2.1、2.2步骤后，将示波器打到“X-Y”方式，选择合适的示波器通道增益，示波器显示李萨如图形。转动鼓轮，移动S2，使李萨如图显示的椭圆变为一定角度的一条斜线，记录

下此时的距离L i-1，距离由数显尺或机械刻度尺上读出。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，这时接收波的相位变化2π，记录下此时的距离L i 。即可求得声波波长：λi =│L i -L i-1│。

4. 干涉法/相位法测量数据处理

已知波长λi 和频率f i （频率由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出）。

则声速C i =λi ×f i 。

因声速还与介质温度有关，所以必要时请记下介质温度t ℃。

5. 时差法测量声速步骤

图 8 时差法测量声速接线图

使用空气为介质测试声速时，按图8所示进行接线，这时示波器的Y1、Y2通道

分别用于观察发射和接收波形。为了避免连续波可能带来的干扰，可以将连续波频率调离换能器谐振点。将测试方法设置到脉冲波方式，选择合适的脉冲发射强度。将S2移动到离开S1一定距离（≥50mm ），选择合适的接收增益，使显示的时间差值读数稳定。然后记录此时的距离值和信号源计时器显示的时间值L i-1、t i-1。移动S2，

记录多次测量的距离值和显示的时间值L i 、t i 。则声速C i =（L i -L i-1）/（t i -t i-1）。

注意1：在距离≤50mm 时,在一定的位置上，示波器上看到的波形可能会产生“拖

尾”，这时显示的时间值很小。这是由于距离较近时，声波的强度较大，反射波引起的共振在下一个测量周期到来时未能完全衰减而产生的。调小接收增益,可去掉“拖尾”,在较近的距离范围内也能得到稳定的声速值。

注意2：由于空气中的超声波衰减较大，在较长距离内测量时，接收波会有明

显的衰减，这可能会带来计时器读数有跳字，这时应微调（距离增大时，顺时针调节；距离减小时，逆时针调节）接收增益，使计时器读数在移动S2时连续准确变化。可以将接收换能器先调到远离发射换能器的一端，并将接收增益调至最大，这时计时器有相应的读数。由远到近调节接收换能器，这时计时器读数将变小；随着距离的变近，接收波的幅度逐渐变大，在某一位置，计时器读数如果有跳字，就逆时针方向微调接收增益旋钮，使计时器的计时读数连续准确变化，就可准确测得计时值。

当使用液体为介质测试声速时，按图8所示进行接线。将测试架向上小心提起，就可对测试槽中注入液体，以把换能器完全浸没为准，注意液面不要过高，以免溢

出。选择合适的脉冲波强度，即可进行测试，步骤相同。

使用时应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件被腐蚀。使用完毕后，用

干燥清洁的抹布将测试架及换能器清洁干净。

6.固体介质中的声速测量

在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面

波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。所以本仪器实验时采用同样材质和形状的固体棒。

固体介质中的声速测量需另配专用的SVG 固体测量装置，用时差法进行测量。

实验提供两种测试介质：有机玻璃棒和铝棒。每种材料有长50mm 三根样品，只

需将样品组合成不同长度测量两次，即可按上面的方法算出声速：

C i =（L i -L i-1）/（t i -t i-1）

图 9 测量固体介质中声速的接线图

测量时，按图9接线。将接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以计时

器不跳字为好。将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用接收换能器的自重与固体棒端面接触。这时计时器的读数为t i-1，固体棒的长度为L i-1。移开接收换

能器，将另1根固体棒端面上涂上适量的耦合剂，置于下面一根固体棒之上，并保持良好接触，再放上接收换能器，这时计时器的读数为t i ，固体棒的长度为L i 。

测量超声波在不同固体介质中传播的平均速度时，只要将不同的介质同时置于

两换能器之间就可进行测量。

因为固体中声速较高、固体棒的长度有限等原因，测量所得结果仅作参考。

完成实验后应关闭仪器的交流电源，并关闭数显测量尺的电源，以免耗费电池。

六、数据处理

1、自拟表格记录所有的实验数据，并便于用逐差法求相应位置的差值和计算λ。

2、计算出空气介质中共振干涉法和相位法测得的波长平均值λ，及其标准偏差S λ，

同时考虑仪器的示值读数误差为0.01mm 。经计算可得波长的测量结果λ=±△λ。

3、按理论值公式0

T T 0V Vs ，算出理论值V S 。 式中V 0=331.45m/s 为T 0=273.15K 时的声速，T=(t+273.15)K 。

或按经验公式V=（331.45+0.59t ）m/s ，计算V 。t 为介质温度（℃）。

4、计算出通过二种方法测量的V 以及△V 值，其中△V=V-V S 。

将实验结果与理论值比较，计算百分比误差。分析误差产生的原因。可写为在室

温为 ℃时，用共振干涉法（相位法）测得超声波在空气中的传播速度为V= ± m/s ，S

V V ?=δ= ％

5*、记录用不同的测试频率测量时的f ，求相应的λ，计算声速V ，并作比较。

6、列表记录用时差法测量有机棒及金属棒的实验数据。

（1） 三根相同长度和材质的待测棒，利用叠加获得不同的长度。

（2）每个长度所测得相对应的时间。

（3）求出相应的差值，然后计算出声速，并与理论声速传播测量参数进行比较，并

计算百分误差。

7、声速测量值与公认值比较

（1）、空气中声速，按理论值公式0

T T 0V Vs =，求得V S 。 式中V 0=331.45m/s 为T 0=273.15K 时的声速，T=(t+273.15)K 。

或按经验公式V=（331.45+0.59t ）m/s ，计算V 。t 为介质温度（℃）。

（2）液体中的声速

（3）固体中的纵波声速：

铝：C 棒=5150m/s ， C 块=6300m/s

铜：C 棒=3700m/s ， C 块=5000m/s

钢：C 棒=5050m/s ， C 块=6100m/s

玻 璃：C 棒=5200m/s ， C 块=5600m/s

有机玻璃：C 棒=1500～2200m/s ，C 块=2000～2600m/s

注：以上数据仅供参考。由于介质的成分和温度的不同，实际测得的声速范围可

能会较大。

七、思考题

1、声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？

2、在本实验中，用驻波法、相位法测量液体声速时的误差较大，试分析原因。

3、声音在不同介质中传播有何区别？声速为什么会不同？

八、仪器配套性

1.声速测试仪 1台

2.声速测试仪信号源 1台

3.信号连接线 共4根

4.使用说明书 1本

九、维护保养和注意事项

1．使用时，应避免声速测试仪信号源的功率输出端短路。

2．严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头上，请用60℃以下的温度将其烘干，即可使用。

3．SV-DH-5、SV-DH-5A，SV-DH-7、SV-DH-7A型测试架体带有有机玻璃，容易破碎，使用时应谨慎，以防止发生意外。

4．数显尺用后应关闭电源。电池使用寿命为6个月，过期后请更换电池。

5．本仪器的保修期为一年。

附录1 简析三种测试声速的方法

1、驻波法（共振干涉法）

由测试架上发射换能器发射出的声波经介质传播到接收换能器时，在接收换能器表面（是一个平面）产生反射。此时反射波与入射波在换能器表面叠加，叠加后的波形具有驻波特性。从声波理论可知，当二个声波幅度相同，方向相反进行传播时，在它们的相交处进行声波干涉现象，出现驻波。而声强在波幅处最小，在波节处最大。所以调节接收换能器的位置，通过示波器看到的波形幅度也随位置的变化而出现起伏，因为是靠目测幅度的变化来知道它的波长，所以难以得到很精确的结果。特别是在液体中传播，由于声波在液体中衰减较小，发射出的声波在很多因素影响下产生多次反射叠加，在接收换能器表面已经是多个回波的叠加（混响），叠加后的波形的驻波特征较为复杂，并不是根据单纯的两束波叠加来观察它的幅度变化，来求出波长。因此用通常的两束波叠加的公式来求速度，其精确性大为下降，导致测量结果不确定性的增大。通过在测试槽中的左、中、右三处进行测量，可以明确看出用通常的计算公式，在不同的地方计算得到的声速是不一样的。

2、相位比较法（李萨如图法）

声速在传播途中的各个点的相位是不同的，当发射点与接收点的距离变化时，二者的相位差也变化了。通过示波器用李萨如图法进行波长的测量。与驻波法相同的是都是目测波形的变化来求它的波长，同样测量结果存在着一定的不确定性。同样因为声波在液体中传播存在着多个回波的干涉影响，从而导致测量结果的不确定性的增大。

3、时差法

在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。

综上所述，通过分析三种测量方法，我们得出了用驻波法和相位法这两种方法测量声速，存在一定的视觉测量误差，建议学生带着比对、加深印象目的使用这三种方法进行测量声速，并对三种方法的优点、缺点进行比较。若课时允许，建议学生对水中用相位法、驻波法测量误差的原因，从声传播过程中混响现象出发展开讨论和分析，进一步了解声波在不同介质当中传播的知识。

附录2 数显容栅尺说明

电容位移测量装置包括一个可相对于测量装置纵向移动的带状标尺（10），测量装置内有几组电极（22至25），通过线路（27）与电子装置连接。带尺由金属制成，上面具有许多等间隔的矩形窗孔（11）。带尺（10）与发射电极相对的接收电极（29）一起构成差动电容器，用来完成电容位移测量。

电容位移测量装置，包括一带状标尺和一测量装置，测量装置上有一系列的发射电极和含一个或多个接收电极的传感器，其位置可由差动电容传感器确定。把大测量极板分成数个小测量极板，这样由于转换功能的精度不够所造成的转换误差不会损害传感器的精度。

因此，误差为千分之一的不精确度相当于一米测量极板有一毫米的误差。另一方面，如果测量极板是一毫米的标尺则其转换误差只有一微米。如补偿分度方面的误差，通过几个刻度同时进行测量比较有利。在此情况下，几个顺次排列的基本电容就构成单个的或差动的电容。

为此，该测量装置的标尺由导电带尺构成，其上有数个间隔相等的窗口，带尺通过测量极板时，这些窗口与几个由基本电容器组成的电极一起，构成差动电容。此电容可变，它是带尺与测量极板相对位置的函数。

由于这些特点，这样的标尺结构很简单，然而在测量精度方面有一些优异性能。另一个优点就是带尺可在其弹性极限内拉长，这就有可能调整其长短，该带尺还可以接地，因此它不需任何电的连接。

图1：标尺和测量装置的透视图

图2：沿标尺垂直方向的剖面图

图3：展示出发射电极的该测量装置的纵向剖面图

图4：展示出接收电极的剖面

图5：以示意图说明电极的排列图

图6：带介质零件的测量装置的剖面图

如图 1 和图 2 所示，该装置包括一个由金属带 10 构成的标尺和一个测量装置 20 。带尺 10上有间隔相等的矩形窗孔 11，相邻窗孔的中心轴线之间的距离设定为 T，测量装置2。

带尺10安排在面21和28之间，发射电极的涂敷面（如图3所示）包含2N整数倍的电机有，。在图中所示情况下2N=4。

在本例中，如电极22，23，24，25之间的距离为T，则T/2N为T/4。所以对带尺10窗孔中心轴线之间的距离值T，计数2N的话，即四个电极。在本例中各电极通过线27与电子装置连接，成为N个电极。从电的观点看，两个电极构成差动电容器极，另一级N个电极构成此差动电容器的第二电极。差动电容器的共用板是由接收电极29上位置与窗孔11相对应的部分构成（如图5所示）。

因此，测量装置20的电极一带尺10的窗孔11组成一系列的差动电容器，它们按顺序连接以形成一个差动电容器。差动电容的变化与带尺的位移成比例，如果带尺的移动超过了规定值，电气装置就把发送电极的供电窜过一个电极来。

从电的观点看，刻度变化的方式是由N个电极形成的极板以T/2N的极数来跟随带尺10的窗孔11的位移，在本例中即以T/4的级数，这样可给出近似测量结果。接收电极必须与发射电极系列一样或比发射电极系列还长。在此情况下，整排发射电极的长度必须等于距离T的整数倍。在这两种情况下，为避免边缘效应和外部干扰，最好用位于测量装置主体上的涂敷面29将接收电极29围绕起来（如图3和图4所示）。

为了不让杂质落到带尺10的窗孔11上并保护带尺，从机构和化学观点来看，可用图6所示之聚四氟乙烯制成。保护层不会影响这些装置的功能。

数显表头的使用方法及维护

1、inch/mm按钮为英/公制转换用，测量声速时用“mm”

2、“OFF”“ON”按钮为数显表头电源开关

3、“ZERO”按钮为表头数字回零用。

4、数显表头在标尺范围内，接收换能器处于任意位置都可设置“0”位。摇动丝杆，接收换能器移动的距离为数显表头显示的数字。

5、数显表头右下方有“▼”处打开为更换表头内扣式电池处。

6、使用时，严禁将液体淋到数显表头上，如不慎将液体淋入，可用电吹风吹干（电吹风用低档，并保持一定距离，使温度不超过60℃）。

7、数显表头与数显杆尺的配合极其精确，应避免剧烈的冲击和重压。

8、仪器使用完毕后，应关掉数显表头的电源，以免不必要的消耗电池。

注：本讲义基本上以杭州大华仪器制造有限公司所发布的仪器说明为蓝本，数据记录时所需的自制表格，请参照《实验物理学》（东北大学出版社）上的有关章节的内容。对讲义内容的不足之处，请同学们提出自己的意见与建议，你们的思想将会在我们以后出版的实验教材中有所体现。

声速测量实验报告

大学物理实验课教案 俸永格（136********） 教学题目：声速的测量 教学对象：10级电子信息班、10动医学班、10级农机班、10级植保班。授课地点：海南大学基础实验楼2610室。 教学重点：让学生了解测量超声波在媒介中传播速度的实验设计思想和实验方法。 教学难点：让学生熟练掌握双踪示波器、SV5/7测试仪、SV8信号源的协调使用并完成两正交信号相位差的多次测量。 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： GW-680双踪示波器一台，SV8信号发生器一台,SV7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2×104Hz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 请同学们自行完成！要求体现以下两个方面的内容！ （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

实验8 声速的测定

实验8 声速的测定 [实验目的] 1． 了解超声换能器的工作原理和功能。 学习不同方法测定声速的原理和技术。 2． 熟悉测量仪和示波器的调节使用。 3． 测定声波在空气及水中的传播速度。 [实验仪器] 1．ZKY —SS 型声速测定实验仪 一台 2．双踪示波器 一台 [仪器介绍] (示波器的使用见教材) 实验仪由超声实验装置（换能器及移动支架组合）和声速测定信号源组成。 超声实验装置中发射器固定，摇动丝杆摇柄可使接收器前后移动，以改变发射器与接收器的距离。丝杆上方安装有数字游标尺(带机械游标尺)，可准确显示位移量。整个装置可方便的装入或拿出水槽。 超声实验装置（换能器及移动支架组合） 声速测定信号源

声速测定信号源面板上有一块LCD显示屏用于显示信号源的工作信息；还具有上下、左右按键，确认按键、复位按键、频率调节旋钮和电源开关。上下按键用作光标的上下移动选择，左右按键用作数字的改变选择，确认按键用作功能选择的确认以及工作模式选择界面与具体工作模式界面的交替切换。 同时还有超声发射驱动信号输出端口（简称TR,连接到超声波发射换能器）、超声发射监测信号输出端口（简称MT,连接到示波器显示通道1）、超声接收信号输入端口（简称RE，连接到超声波接收换能器）、超声接收信号监测输出端口（简称MR，连接到示波器显示通道2）。 声速测定信号源具有选择、调节、输出超声发射器驱动信号；接收、处理超声接收器信号；显示相关参数：提供发射监测和接收监测端口连接到示波器等其它仪器等功能。 开机显示欢迎界面后，自动进入按键说明界面。按确认键后进入工作模式选择界面，可选择驱动信号为连续正弦波工作模式(共振干涉法与相位比较法)或脉冲波工作模式(时差法)。 选择连续波工作模式，按确认键后进入频率与增益调节界面；在该界面下将显示输出频率值；发射增益档位，接收增益档位等信息，并可作相应的改动。[实验原理] 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。 在同一媒质中，声速基本与频率无关，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。由于超声波具有波长短，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。 声速的测量方法可分为两类： 第一类方法是直接根据关系式V=S／t，测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，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”，本实验用三种方法测量气体和液体中的声速。 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。当把电信号加在发射端时，换能器端面产生机械振动(逆向压电效应)并在空气中发出声波。当声波传递到接收端时，激发起端面振动，又会在产生相应的电信号输出(正向压电效应)。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，才能有效的发射(或接收)。实验时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。

声速测定实验报告

【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λ和频率f 之间存在着下列关系：λ?=f V ，实验中可通过测定声波的波长λ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：t V L ?= ，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：)/X 2t cos(A F 1λ?π-ω?=、波束2：()λ?π+ω?=/X 2t cos A F 2，当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：()t cos /X 2cos A 2F 3ω?λ?π?=，这里ω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()λ?π/X 2cos 变化。如图28.1所示。 压电瓷换能器1S 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2S 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1S 发出的声波，经介质传播到2S ，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（2S ）与发射面（1S ）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2S 处的振动情况。移动2S 位置（即改变1S 与2S 之间的距离），你从示波器显示上会发现当2S 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

声速的测量

物理实验报告 一、【实验名称】 超声波声速的测量 二、【实验目的】 1、了解声速的测量原理 2、学习示波器的原理与使用 3、学习用逐差法处理数据 三、【仪器用具】 1、SV-DH-3型声速测定仪段 2、双踪示波器 3、SVX-3型声速测定信号源 四、【仪器用具】 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。 图1 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。图1为纵向换能器的结构简图。 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S1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S2）。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=Acos （ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射，反射波ξ 2 =A 1cos （ωt+2πx /λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A 1＜A 。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加， 合成波束ξ 3 ξ3=ξ1+ξ2=(A 1+A 2）cos （ωt-2πx /λ)+A 1cos （ωt+2πx /λ) =A 1cos(2πx /λ)cos ωt+A 2cos （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。 图4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。 图2 换能器间距与合成幅度 实验装置按图7所示，图中S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2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S2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S1和S2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S2处的振动情况。移动S2位置（即改变S1和S2之间的距离），你从示波器显示上会发现，当S2 在某此位置时振幅有最小值。根据波的干涉理论可以知道：任何 发射换能器与接收换能器之间的距离

2.基尔霍夫定律和叠加原理的验证(实验报告答案)含数据处理

实验二 基尔霍夫定律和叠加原理的验证 一、实验目的 1. 验证基尔霍夫定律的正确性，加深对基尔霍夫定律的理解。 2. 验证线性电路中叠加原理的正确性及其适用范围，加深对线性电路的叠加 性和齐次性的认识和理解。 3. 进一步掌握仪器仪表的使用方法。 二、实验原理 1．基尔霍夫定律 基尔霍夫定律是电路的基本定律。它包括基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍 夫电压定律(KVL)。 (1)基尔霍夫电流定律(KCL) 在电路中，对任一结点，各支路电流的代数和恒等于零，即 ΣI ＝0。 (2)基尔霍夫电压定律(KVL) 在电路中，对任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零，即 ΣU ＝0。 基尔霍夫定律表达式中的电流和电压都是代数量，运用时，必须预先任意假 定电流和电压的参考方向。当电流和电压的实际方向与参考方向相同时，取值为 正；相反时，取值为负。 基尔霍夫定律与各支路元件的性质无关，无论是线性的或非线性的电路，还 是含源的或无源的电路，它都是普遍适用的。 2．叠加原理 在线性电路中，有多个电源同时作用时，任一支路的电流或电压都是电路中 每个独立电源单独作用时在该支路中所产生的电流或电压的代数和。某独立源单 独作用时，其它独立源均需置零。(电压源用短路代替，电流源用开路代替。) 线性电路的齐次性(又称比例性)，是指当激励信号(某独立源的值)增加 或减小 K 倍时，电路的响应(即在电路其它各电阻元件上所产生的电流和电压 值)也将增加或减小 K 倍。 三、实验设备与器件 1. 直流稳压电源 1 2. 直流数字电压表 1 3. 直流数字毫安表 1 4. 万用表 1 5. 实验电路板 1 四、实验内容 1．基尔霍夫定律实验 按图 2-1 接线。 台块 块 块块

声速测量实验报告

声速测量实验报告 【实验目的】 1.学会测量超声波在空气中的传播速度的方法。 2.理解驻波和振动合成理论。 3.学会用逐差法进行数据处理。 4.了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。 【实验仪器】 信号发生器、双踪示波器、声速测定仪。 【实验原理】 声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为： 可见，只要测出声波的频率f和波长 ，即可求出声速。f可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。 根据超声波的特点，实验中可以采用驻波法和相位法测出超声波的波长。 1. 驻波法（共振干涉法） 如右图所示，实验时将信号发生 器输出的正弦电压信号接到发射超声 换能器上，超声发射换能器通过电声 转换，将电压信号变为超声波，以超 声波形式发射出去。接收换能器通过声电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观察。 由声波传播理论可知，从发射换能器发出一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收换能器。如果接收面和发射面严格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波相互干涉形成驻波。此时，两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长的整数倍。在声驻波中，波腹处声压（空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强）最小，而波节处声压最大。当接收换能器的反射界面处为波节时，声压效应最大，经接收器转换成电信号后从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值，所以可从接收换能器端面声压的变化来判断超声波驻波是否形成。

移动卡尺游标，改变两只换能器端面的距离，在一系列特定的距离上，媒质中将出现稳定的驻波共振现象，此时，两换能器间的距离等于半波长的整数倍，只要我们监测接收换能器输出电压幅度的变化，记录下相邻两次出现最大电压数值时（即接收器位于波节处）卡尺的读数（两读数之差的绝对值等于半波长），则根据公式：λf v =就可算出超声波在空气中的传播速度，其中超声波的频率可由信号发生器直接读得。 2.相位比较法 实验接线如下图所示。波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。在声波传播方向上，所有质点的振动位相逐一落后，各点的振动位相又随时间变化。声波波源和接收点存在着位相差，而这位相差则可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦交变电压信号的位相关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观察。 位相差?和角频率ω、传 播时间t 之间有如下关系： t ?=ω? 同时有，t πω2=， v l t =，v T =λ（式中T 为周期） 代入上式得：λπ?l 2= 当 2λn l = （n=1，2，3，...）时，可得π?n =。 由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即Ф=2π）。 实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。当相位差改变π时，相应距离l 的改变量即为半个波长。根据波长和频率即可求出波速。 3.超声波的发射与接收——压电陶瓷换能器

声速的测量

声速的测量 【一】实验目的 1．学习测量超声波在媒质中的传播速度的方法。 2．用共振干涉法、相位比较法和时差法测量声速，并加深对驻波、振动合成、波的干涉等理论知识的理解。 3．通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能并培养综合使用仪器的能力。 【二】实验原理 1．声波 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，它能在气体、液体、和固体中传播。但在各种媒质中传播的速度是不同的。频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就可形成声波。频率介于20kHz～500MHz的波称为超声波，在同一媒质中，超声波的传播速度就等于声波的传播速度。由于超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，因此在超声波段进行声速的测量比较方便。测量声速时可以利用声速与振动频率f和波长λ之间的关系（即v=λf）求出，也可以利用v=L/t求出，其中L为声波传播的路程，t为声波传播的时间。 声速测量的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。 2．共振干涉（驻波）法测声速 实验装置接线如图(1)所示，图中S1和S2为压电陶瓷超声换能器。由声源S1发出平面简谐波沿X轴正方向传播，接收器S2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样，由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1和S2之间形成干涉，出现驻波共振现象。 图（1）

设沿X 轴正方向入射波方向的方程为 )(2cos 1λ πx ft A Y ?= （1） 沿X 轴负方向反射波方程为 ) (2cos 1λπx ft A Y += （2） 在入射波和反射波相遇处产生干涉，在空间某点的合振动方程为 t x A Y Y Y ωλπ cos 2cos 2(21=+= （3） 由(3)式可知，当：2)12(2πλπ +=k x k = 0，1，2，3………. （4） 即4)12(λ +=k x k = 0，1，2，3……….时，这些点的振幅始终为零，即为波节。 当：πλπ k x =2 k = 0，1，2，3………. （5） 即2λ k x = k = 0，1，2，3……….时，这些点的振幅最大，等于2A ，即为波腹。 故知，相邻波腹（或波节）的距离为2/λ。 由上式可知，当S 1和S 2之间的距离L 恰好等于半波长的整数倍时，即 2λ k L = k = 0，1，2，3……… 形成驻波，示波器上可观察到较大幅度的信号，不满足条件时，观察到的信号幅度较小。移动S 2，对某一特定波长，将相继出现一系列共振态，任意两个相邻的共振态之间，S 2的位移为， 222)1(1λ λ λ =?+=?=Δ+k k L L L k k （6） 所以当S 1和S 2之间的距离L 连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期性变化，相当于S 1和S 2之间的距离改变了2λ 。此距离2λ 可由游标卡尺测得，频率f 由信号发生器读得，由f v ?=λ即可求得声速。 3．相位比较法 实验装置接线仍如图(1)所示，置示波器功能于X －Y 方式。当S 1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S 2时，在发射波和接受波之间产生位相差为： v L f L πλπ???2221==?=Δ （7） 因此可以通过测量?Δ来求得声速。 ?Δ的测定亦可用相互垂直振动合成的李萨如图形来进行。设输入X 方向的入射波振动方程为： )cos(11?ω+=t A x （8） 输入Y 方向的是由S 2接收到的波动，其振动方程为：

误差理论与数据处理 实验报告

《误差理论与数据处理》实验指导书 姓名 学号 机械工程学院 2016年05月

实验一误差的基本性质与处理 一、实验内容 1．对某一轴径等精度测量8次，得到下表数据，求测量结果。 Matlab程序： l=[24.674,24.675,24.673,24.676,24.671,24.678,24.672,24.674];%已知测量值 x1=mean(l);%用mean函数求算数平均值 disp(['1.算术平均值为：',num2str(x1)]); v=l-x1;%求解残余误差 disp(['2.残余误差为：',num2str(v)]); a=sum(v);%求残差和 ah=abs(a);%用abs函数求解残差和绝对值 bh=ah-(8/2)*0.001;%校核算术平均值及其残余误差,残差和绝对值小于n/2*A,bh<0，故以上计算正确 if bh<0 disp('3.经校核算术平均值及计算正确'); else disp('算术平均值及误差计算有误'); end xt=sum(v(1:4))-sum(v(5:8));%判断系统误差（算得差值较小，故不存在系统误差） if xt<0.1 disp(['4.用残余误差法校核，差值为：',num2str(x1),'较小，故不存在系统误差']); else disp('存在系统误差'); end bz=sqrt((sum(v.^2)/7));%单次测量的标准差 disp(['5.单次测量的标准差',num2str(bz)]);

p=sort(l);%用格罗布斯准则判断粗大误差，先将测量值按大小顺序重新排列 g0=2.03;%查表g(8,0.05)的值 g1=(x1-p(1))/bz; g8=(p(8)-x1)/bz;%将g1与g8与g0值比较，g1和g8都小于g0，故判断暂不存在粗大误差if g1

声速的测定实验报告

声速的测定实验报告 1、实验目的 （1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。 （2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。 （3）学会用逐差法处理数据。 2、实验仪器 超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B 、示波器ST16B 。 3、实验原理 3．1 实验原理 声速V 、频率f 和波长λ之间的关系式为λf V =。如果能用实验方法测量声波的频率f 和波长λ，即可求得声速V 。常用的测量声速的方法有以下两种。 3．2 实验方法 3．2．1 驻波共振法（简称驻波法） S 1发出的超声波和S 2反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的 频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。 驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中， S 1、S 2即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为： Λ Λ3,2,1,2 ==n n L λ （1） 即当S 1和S 2之间的距离L 等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当L 不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。 移动S 2，可以连续地改变L 的大小。由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即 S 2所移过的距离为： () 22 2 11λ λ λ = ? -+=-=?+n n L L L n n （2） 可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L 改变了2λ。此距离2λ 可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据f V ?=λ，就 可求出声速。 3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法） 在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。其轨迹方程为： ()()φφφφ122122122 12 2-=-- ???? ??+???? ??Sin Cos A A XY A Y A X （5） 在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。当相位差 12=-=?φφφ时，由（5）式，得 x A A y 12=，即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线[参见图16—2(a)]。

声速的测量

声速的测量 1. 实验目的 （1）了解声速测量仪的结构和测试原理； （2）通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能； （3）用共振干涉法和相位比较法测量声速，并加深有关共振、振动合成、波的干涉等理论知识的理解； （4）进一步掌握示波器、低频信号发生器和数字频率计的使用。 2. 实验仪器 SV-DH系列声速测试仪，SVX-5型声速测试仪信号源，双踪示波器(20MHz)。 3. 仪器简介 (1) 声波 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。 (2) 压电陶瓷换能器 SV-DH系列声速测试仪主要由压电陶瓷换能器和读数标尺组成。压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。 压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力T时，在极化方向上产生一定的电场强度E且具有线性关系：E=CT；当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与U之间有简单的线性关系：S=KU，C为比例系数，K为压电常数，与材料的性质有关。由于E与T，S与U之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号

4. 实验原理 根据声波各参量之间的关系可知V =λν,其中V 为波速,λ为波长, ν为频率。 在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率ν求声速。声波的频率ν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。 (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，在发射波和接收波之间产生相位差： V L L πνλπ???2221==-=? （1） 因此可以通过测量??来求得声速。 ??的测定可用相互垂直振动合成的李萨如图形来进行。设输入X 轴的入射波振动方程为 )cos(11?ω+=t A x （2） 输入Y 轴的是由S2接收到的波动，其振动方程为： )cos(22?ω+=t A y （3） 图2 实验装置 上两式中：A 1和A 2分别为X 、Y 方向振动的振幅，ω为角频率，1?和2?分别为X 、Y 方向振动的初相位，则合成振动方程为 )(sin )cos(2122122 1222212????-=--+A A xy A y A x （4） 此方程轨迹为椭圆，椭圆长、短轴和方位由相位差21???-=?决定。当??＝0时，由式得

测量刚体的转动惯量实验报告及数据处理

测量刚体的转动惯量实验报告及数据处理 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

实验讲义补充： 1.刚体概念：刚体是指在运动中和受力作用后，形状和大小不变，而且内部各点的相对位置不 变的物体。 2.转动惯量概念：转动惯量是刚体转动中惯性大小的量度。它取决于刚体的总质量，质量分 布、形状大小和转轴位置 3.转动定律：合外力矩=转动惯量×角加速度 4.转动惯量叠加： 空盘：（1）阻力矩（2）阻力矩＋砝码外力→J1 空盘＋被测物体：（1）阻力矩（2）阻力矩＋砝码外力→J2 被测物体：J3=J2-J1 5.转动惯量理论公式：圆盘&圆环J=0.5mr2,J=0.5m(r12+r12) 6.转动惯量实验仪器：水准仪；线水平；线与孔不产生摩擦；塔轮选小的半径；至少3个塔轮 半径，3组砝码质量 7.计数器：遮光板半圈π；单电门，多脉冲；空盘15圈，20个值；加上被测物体，8个值； 8.泡沫垫板 9.重力加速度：s^2 10.质量：1次读数，包括砝码，圆盘，圆环，以及两圆柱体； 11.游标卡尺：6次读数，包括圆盘半径，圆环内外半径，塔轮半径，转盘上孔的内外半径（求 平均值） 12.实验目的：测量值与理论值对比 实验计算补充说明： 1.有效数字：质量，故有效数字为3位 2.游标卡尺：，读数最后一位肯定为偶数； 3.误差&不确定度： （1）理论公式计算的误差： 圆盘：J=0.5mR2（注意：直接测量的是直径） 质量m=±；（保留4位有效数字） um=*100%=% 半径R=± 若测6次,x1,x2,x3,x4,x5,x6,i=6，计算x平均值 ， 取n=6时的 ，我们处理为0 C=,仪器允差,δB= 总误差：,ux= m

声速测量实验报告.doc

声速测量实验报告 只有通过实验才能知道结果，那么，下面是我给大家整理收集的声速测量实验报告，供大家阅读参考。 声速测量实验报告1 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:平遥县状元桥东。 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 0.26″ 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。 声速测量实验报告2 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

声速测量

实验十二 声速测量 编辑：李家望 赵斌 摘 要 本实验通过压电换能器将声波转换为电信号，从而利用示波器测量了空气中的声速。相对不确定度为1.9%和1.3%。 关键词 压电换能器，声波，电信号，示波器，声速 实验目的 1． 利用共振干涉法和位相比较法测量超声波在空气中的传播速度。 2． 加强对驻波及振动合成等理论的理解。 实验原理 1．声波在空气中传播速度：理想气体μ γRT v = V P C C /=γ为比热容比，μ是气体的摩尔质量。 在室温时，声速的近似理论公式为：15 .273145.33110 0t T t v v + ≈+= （m/s ） 2．压电换能器工作原理 压电换能器是一种多晶结构的压电陶瓷材料，被极化的压电陶瓷具有压-电效应。超声波的产生是利用压电陶瓷的逆压电效应使电压变化转变为声压变化，超声波的接收则是利用压电陶瓷的正压电效应使声压变化转变为电压变化。 3．共振干涉法（驻波法）测声速 实验装置如图一所示。图中S 1、S 2为压电陶瓷喇叭，S 1接函数信号发生器，作为超声波源； S 2为接收器，接二踪示波器，且能在接收声波的同时反射部分声波。这样，S 1发出的超声波和S 2反射的超声波在它们之间的区域内因同频率，同振动方向，传播方向相反相干涉而形成驻波。 移动S 2即改变L ，当S 2将经过波腹时，声波信号最强，在示波器上得到的信号振幅最大；当S 2将经过波节时，在示波器上得到的信号振幅最小（因反射声波（会衰减）振幅小于入射声波振幅，合成后波节振幅不为零）。S 2将经过一系列波腹，波节的位置，示波器上的信号幅度会周期性变化，任意两个相邻波腹（节）的距离，通过S 2的移动的距离由游标卡尺可测得：必满足 ΔL = L n +1- L n =λ/2 又声波频率f 由函数信号发生器上读得，可得声速： v =λ f =2ΔL f 4．位相比较法（行波法）测声速 实验装置如图二所示。将函数信号发生器的交变信号输入S 1的同时输入示波器的X 轴（CH1通道），将S 2输出的信号接入示波器的Y 轴（CH2通道），则示波器上就会出现李萨如图形。 当改变S 1和S 2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Δφ，示波器上图形也随之不断变化。当S 2与S 1的距离变化ΔL = L n +1- L n =λ，它们之间的相位差Δφ=2π，如图三所示。显然，根据李萨如图形的变化情况可测得波长λ,频率f 仍由函数信号发生器上读得, 由v =λ f =ΔL f 即可求得声速。 图 一 共振干涉法测声速

大学物理实验报告数据处理及误差分析

篇一：大学物理实验1误差分析 云南大学软件学院实验报告 课程：大学物理实验学期： - 学年第一学期任课教师： 专业： 学号： 姓名： 成绩： 实验1 误差分析 一、实验目的 1. 测量数据的误差分析及其处理。 二、实验内容 1．推导出满足测量要求的表达式，即 0? (?)的表达式； 0= (( * )/ (2*θ)) 2．选择初速度A，从[10，80]的角度范围内选定十个不同的发射角，测量对应的射程， 记入下表中： 3．根据上表计算出字母A 对应的发射初速，注意数据结果的误差表示。 将上表数据保存为A. ,利用以下程序计算A对应的发射初速度，结果为100.1 a =9.8 _ =0 =[] _ = ("A. "," ") _ = _ . ad ()[:-1] = _ [:]. ('\ ') _ = _ . ad ()[:-1] = _ [:]. ('\ ') a (0,10): .a d( a . ( a ( [ ])* / a . (2.0* a ( [ ])* a . /180.0))) _

+= [ ] 0= _ /10.0 0 4．选择速度B、C、D、重复上述实验。 B C 6．实验小结 (1) 对实验结果进行误差分析。 将B表中的数据保存为B. ,利用以下程序对B组数据进行误差分析，结果为 -2.84217094304 -13 a =9.8 _ =0 1=0 =[] _ = ("B. "," ") _ = _ . ad ()[:-1] = _ [:]. ('\ ') _ = _ . ad ()[:-1] = _ [:]. ('\ ') a (0,10): .a d( a . ( a ( [ ])* / a . (2.0* a ( [ ])* a . /180.0))) _ += [ ] 0= _ /10.0 a (0,10): 1+= [ ]- 0 1/10.0 1 (2) 举例说明“精密度”、“正确度”“精确度”的概念。 1. 精密度 计量精密度指相同条件测量进行反复测量测值间致(符合)程度测量误差角度说精密度所 反映测值随机误差精密度高定确度(见)高说测值随机误差定其系统误差亦。 2. 正确度 计量正确度系指测量测值与其真值接近程度测量误差角度说正确度所反映测值系统误差 正确度高定精密度高说测值系统误差定其随机误差亦。 3. 精确度 计量精确度亦称准确度指测量测值间致程度及与其真值接近程度即精密度确度综合概念 测量误差角度说精确度(准确度)测值随机误差系统误差综合反映。 比如说系统误差就是秤有问题，称一斤的东西少2两。这个一直恒定的存在，谁来都是 这样的。这就是系统的误差。随机的误差就是在使用秤的方法。 篇二：数据处理及误差分析 物理实验课的基本程序

声速的测量实验报告

声速的测量实验报告 声速的测量实验报告 1 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:平遥县状元桥东。 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 0.26 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。

声速的测量实验报告2 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 cV (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=8.314472(11.710-6)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 =28.9668710-3kg/mol b.在标准状态下(T088273.15 K,p88101.388kPa)，干燥空气中的声速 为v0=331.5m/s。在室温t℃下，干燥空气中的声速为 v88v0 (2)

大学物理实验超声波速测量实验报告

大学物理实验超声波速测量实验报告 一实验目的 1.了解超声波的物理特性及其产生机制； 2.学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据； 3.测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数； 4.并运用超声波检测声场分布。 5.学习超声波产生和接收原理， 6.学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。 7.观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射 二实验条件 HLD-SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪 三实验原理 1、超声波的有关物理知识 声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次声波（f＜20Hz）、声波（20Hz≤f≤20kHz）、超声波（f>20kHz）和特超声波（f≥10MHz），如下图。 声波频谱分布图 振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波： 横波：质点振动方向和传播方向垂直的波，它只能在固体中传播。 纵波：质点振动方向和传播方向一致的波，它能在固体、液体、气体中的传播。 表面波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，介质表面的质点做椭圆的振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。 板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，可分为SH波与兰姆波。

超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特的特点：绕射现象小，方向性好，能定向传播；能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远，而且在液体里的衰减和吸收是比较低的；能在异质界面产生反射、折射和波形转换。 2、理想气体中的声速值 声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为 μrRT =V (1) 式中R 为气体普适常量(R=)，γ是气体的绝热指数(气体比定压热容与比定容热容之比)，μ为分子量，T 为气体的热力学温度，若以摄氏温度t 计算，则：t T T +=0 K T 15.2730= 代入式(1)得， 00001V 1)(V T t T t T rR t T rR ++?+=＝＝μμ (2) 对于空气介质，0℃时的声速0V = m s 。若同时考虑到空气中的蒸汽的影响，校准后 声速公式为： s m p p T t w /)319.01)(1(45.331V 0++= (3) 式中w p 为蒸汽的分压强，p 为大气压强。 3、共振干涉法 设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器，如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反射面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离l ，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳定的驻波共振现象。此时，l 等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出，在移动接收器的过程中，相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此，若保持频率 v 不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离(2/λ)，就可以用λv =V 计算声速。 声压变化与接收器位置的关系：

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声速的测量实验报告 不会写声速的测量实验报告的朋友，下面请看我给大家整理收集的声速的测量实验报告，仅供参考。 声速的测量实验报告1 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:平遥县状元桥东。 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 0.26″ 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。 声速的测量实验报告2 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 cV (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=8.314472(1±1.7×10-6)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 =28.966�8�710-3kg/mol b.在标准状态下 (T0�8�8273.15 K,p�8�8101.3�8�8kPa)，干燥空气中的声速 为v0=331.5m/s。在室温t℃下，干燥空气中的声速为 v88v0 (2) (T0=273.15K) 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�810.286�8�2 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

叠加原理 实验报告范文(含数据处理)

创作编号： GB8878185555334563BT9125XW 创作者：凤呜大王* 叠加原理实验报告范文 一、实验目的 验证线性电路叠加原理的正确性，加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理解。 二、原理说明 叠加原理指出：在有多个独立源共同作用下的线性电路中，通过每一个元件的电流或其两端的电压，可以看成是由每一个独立源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。 线性电路的齐次性是指当激励信号（某独立源的值）增加或减小K倍时，电路的响应（即在电路中各电阻元件上所建立的电流和电压值）也将增加或减小K倍。 三、实验设备 高性能电工技术实验装置DGJ-01：直流稳压电压、直流数字电压表、直流数字电流表、叠加原理实验电路板DGJ-03。 四、实验步骤 1．用实验装置上的DGJ-03线路,按照实验指导书上的图3-1，将两路稳压电源的输出分别调节为12V和6V，接入图中的U1和U2处。 2．通过调节开关K1和K2，分别将电源同时作用和单独作用在电路中，完成如下表格。 表3-1

3．将U2的数值调到12V，重复以上测量，并记录在表3-1的最后一行中。 4．将R3(330 )换成二极管IN4007，继续测量并填入表3-2中。 表3-2 五、实验数据处理和分析 对图3-1的线性电路进行理论分析，利用回路电流法或节点电压法列出电路方程，借助计算机进行方程求解，或直接用EWB软件对电路分析计算，得出的电压、电流的数据与测量值基本相符。验证了测量数据的准确性。电压表和电流表的测量有一定的误差，都在可允许的误差范围内。 验证叠加定理：以I1为例，U1单独作用时，I1a=8.693mA,，U2单独作用时， I1b=-1.198mA，I1a+I1b=7.495mA，U1和U2共同作用时，测量值为7.556mA，因此叠加性得以验证。2U2单独作用时，测量值为-2.395mA，而2*I1b=-2.396mA，因此齐次性得以验证。其他的支路电流和电压也可类似验证叠加定理的准确性。 对于含有二极管的非线性电路，表2中的数据不符合叠加性和齐次性。