文档介绍：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
了解超声波的物理特性及其产生机制；
学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据；
测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数；
并运同，其相位差 可利用示波器的李萨如图形来观察。 和角频率 、传播时间 之间有如下关系：
同时有：
,
（式中T为周期），代入上式可求得声速V。
的确定用如下方法：根据
当时，得。
实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，可观察到相位的变化。而当相位差改变 时，相应的距离 的改变量即为半个波长。为精确测定波长的值，在实际的操作中要连续测多个相位改变的点的坐标，再用逐差法算出波长的值，根据波长和频率值可求出声速。
行波法相位差图：
5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射
由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速；并研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学的物理规律和基本概念有更
深的理解。
6、声波的干涉和衍射
双缝干涉实验装置如图1所示。对于不同的角，如果从双缝到接收器的程差是零或波长的整数倍，就会产生相长干涉，因而观察到干涉强度的极大值；当程差是半波长的奇数倍时，干涉强度有极小值。因此，干涉强度出现极大值与极小值的条件如下：
极大值： (4)
极小值： (5)
式中，n为零或整数，d为二个缝中心位置的距离，为声音的波长。
图1
衍射效应用超声波也可以观察到，采用1个单缝，如图2所示。当来自单缝的一半的辐射与来自另一半的辐射相差半波长奇数倍时，会产生相消干涉，因此相消干涉条件是：
（6）
式中，n=0，±1，±2，……，a为单缝缝宽，为接收器离中心位置转过角度。
图2
三、实验内容
(一)：声音在空气中传播速度测量
1、调整测试系统的谐振频率
按图4将实验装置接好。正弦波的频率取40KHz，调节接收换能器尽可能近距离，且使示波器上的电源信号为最大。然后，将两个换能器分开稍大些距离（约5-6cm），使接收换能器输入示波器上的电压信号为最大。再调节频率，使该信号确实为该位置极大值。此时信号源输出频率才最终等于二个换能器的固有频率。在该频率上，换能器输出较强的超声波。
2、在谐振频率处用共振法和相位法测声速。
当测得一声速极大值后，连续地移动接收端的位置，测量相继出现20个极大值所相应的各接收面位置，再用逐差法求波长值。
在用相位比较法时，将接收器与示波器的Y轴相连，发射器与示波器X轴相连，即可利用李萨如图形来观察发射波与接收波的相位差，适当调节Y轴和X轴灵敏度，就能获得比较满意的李萨如图形。对于两个同频率互相垂直的简谐振动的合成，随着两者之间相位差从0--π变化，其李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆，再由椭圆变到斜率为负的直线。记录游标卡尺上读数时，应选择李萨如图形为直线时所对应的位置。每移动半个波长，就会重复出现斜率正负交替的直线图形。
3、本实验温度应正确仔细地测量（为什么？），并测出温度计干泡温度和湿泡温度，查表得到该状态下的 值，再测得实验室当时的气压值p，（干燥天气可不必测量和p）（详见参考资料1和3），则可由式（3）求出声速值。
4、将上述两种方法的测量结果比较，计算相对偏差。
选做实验：（设计性实验）
（二）声波的双缝干涉
用图1所示双缝装置来做干涉实验。实验须满足公式（4）和公式（5）条件。为了减少由于两个缝处的衍射所引起的复杂性。简单的办法是每个缝宽度均小于1个波长（约8-9mm为一个波长），缝宽仅2-3mm，而两个缝相隔为几个波长，（实际使用双缝间距约为3倍波长）。这时，测量出主极大，次极大和极小值的位置。要观察更多极大值和极小值位置，须将固定螺丝卸下，放好后。转动更大角度观察到。
（三）声波的单缝衍射
用图2所示双缝装置来做观察声波的单缝衍射实验（注意卸下固定螺丝必须保管好）。体会声波衍射的物理含义。
将转动紧固螺丝卸下(注意螺丝和螺帽不能掉)放在纸盒内。将接收器绕轴心转动，可以观察接收信号在不同角位置时强度的变化，由公式(6)可估算一级极小值的角度。可以在满足公式(6)的条件下，观测到一级极小值。估算一下衍射是否与理论值一致，转动更大角度时，可观测到一级极大值。
四、使用注意事项
1、仪器与装置连接的电缆线，不宜多拆、多接。角度固定螺丝也不宜让学生经常卸下。最佳方案是配一套公用“声速测量综合实验仪”。让学生学****接拆同轴电缆接头，以及观测大角度时双缝干涉和