声速的测量

一、实验重点、难点：

实验重点

1． 了解超声波的发射和接收方法。

2． 加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。

3． 掌握用驻波法和相位法测声速。

实验难点

1． 用相位比较法和驻波法（共振干涉仪）测波长和声速的原理及实现方法。

2． 正确使用示波器实现上述两种方法的测量。

3． 用逐差法处理数据，算出声速v和不确定度。

二、操作指导：

1、主窗口：

正确进入超声波测声速实验场景窗体，如图图1实验场景：

图1 实验场景

在实验场景主窗体的右上角“工具箱”和“帮助”两个菜单项。工具箱提供实验中可能用到的工具；点击帮助菜单项，弹出帮助文档。

在场景的下方，从左到右，依次是“实验仪器栏”、“实验提示栏“和”实验内容栏“。实验仪器栏里放置着实验用到的仪器，点击拖动，可以把相应的仪器拖到实验场景中去，供实验使用。实验提示栏，即时提示实验信息或相关的操作信息。实验内容栏，是相关实验名称的列表，点击实验名称可以重新开始实验和进行实验的切换。

实验大场景主要由一张桌子组成，本实验中，实验仪器都放在桌子上面。在实验场景中，可以在一定范围内拖动指定仪器。把鼠标放在仪器上面，按下Delete键，可以删除指定仪器到仪器栏。双击场景中的仪器可以进入仪器的调节窗体。

注（首次进入实验时，一些仪器可能已经在场景中了，用户可根据实验需要往场景中添加仪器或删除仪器）

2.仪器调节

（1）超声声速测定仪调节，在场景中双击超声声速测定仪图标，可以进人超声声速测定仪调节窗体，如图图2超声声速测定仪所示：

图2 超声声速测定仪

调整换能器与水平方向的夹角，左击换能器，可以使换能器向上旋转。右击换能器，可以使换能器向下旋转。

调节两个换能器之间的距离，可以拖动可移动换能器改两个换能器之间的距离，也可以通过窗体上方的微调按钮，向左或向右微调两个换能器之间的距离。通过窗体下方的大标尺，可以准确读出当前可移动换能器的距离。

（2）示波器调节，测示波器校准信号周期连接示波器CH1和示波器校准信号。校准信号为周期1KHz,峰峰值为4V的对称方波信号。双击示波器，打开示波器调节界面，如图图3示波器调节界面所示：

图3示波器调节界面

在示波器调节窗口中，左键单击示波器开关，打开示波器，如图图4示波器校准界面所示：

图4示波器校准界面

进行示波器调节和校准。调节电平旋钮，使信号稳定，如下图所示：

调节示波器聚焦旋钮和辉度旋钮是示波器显示屏中的信号清晰，调好后如下图所示：

调节CH1幅度调节旋钮和CH1幅度微调旋钮，校准信号显现为峰峰值为4V，如下图所示：

调节示波器时间灵敏度旋钮和扫描微调旋钮，校准信号周期显示为1KHz,调好后如下图所示：

至此，示波器校准结束。示波器具体按钮的功能和使用，在实验仪器项中已经作了介绍，根据具体实验，具体调节示波器。

（3）信号发生器调节，信号发生器的调节在实验仪器项中已经作了介绍，根据具体的实验要求，调节信号发生器，输出符合实验要求的电信号。

图5 场景中的信号发生器

图6 信号发生器调节界面

3.连线

从实验场景中可以看出，示波器上有三个黑色的接线柱、超声声速测定仪上有两个接线柱、在信号发生器上有一个接线柱。把鼠标移到相应的接线柱上，按下并拖动，随着鼠标的拖动一条线便会被画出，当鼠标移动另一个接线柱上（或是此接线柱的一定范围），松开鼠标，如果连接合法，此线便会保留，不合法，连线失败，系统会弹出对话框，提示此连接为非法连接。

4、记录数据

程序提供记录数据表格，在做实验的过程中，可以把测量数据和计算数据填到数据表格中去。点击场景右上角的记录数据按钮，可弹出记录数据窗体，如图图7记录数据窗体所示：

图7 记录数据窗体

三、实验内容

寻找到超声波的频率（就是换能器的共振频率）后，只要测量到信号的波长就可以求得声速。我们采用驻波法和相位比较法来测量信号波长:

（1）驻波法

信号发生器产生的信号通过超声速测定仪后，会在两个换能器件之间产生驻波。改变换能器之间的距离（移动右边的换能器）时，在接收端(把声信号转为电信号的换能器)的信号振幅会相应改变。当换能器之间的距离为信号波长的一半时，接受端信号振幅为最大值。

实验中调节示波器的垂直方式选择开关，触发源选择开关，内触发源选择开关，Auto-Norm-X-Y开关，使屏幕上显示出接受端信号，图见前面“调整仪器”中“示波器的使用与调整”部分。然后，一边移动右边换能器，一边观察示波器上的信号幅度。当信号幅度为最大值时，通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。两个相邻的信号幅度最大时换能器间的距离差就是波长的一半。这样就知道了声波的波长，从信号发生器读出信号的频率，这样根据计算声速的公式就可以计算出声速了。

图8驻波图像

（2）相位比较法

由于两个换能器间有距离，这样在两个换能器处的信号有一相位差。当换能器间距离改变一个波长时，相位差改变2pi。

实验中调节示波器的垂直方式选择开关，触发源选择开关，内触发源选择开关，Auto-Norm-X-Y开关，使屏幕上显示出两个换能器端信号产生的李撒如图(见图4李撒如图像)。然后，一边移动右边换能器，一边观察示波器上的李撒如图。当观察到两个信号的相位差改变2pi时，通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。通过游标卡尺可以得到声波的波长，从信号发生器读出信号的频率，这样根据计算声速的公式就可以计算出声速了。

图9 李撒如图像