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医用物理学-实验四十 超声波实验
实验四十 超声波实验 王淑珍 实验目的 了解声波在空气中传播的特性 了解压电换能器的功能 了解声波的产生、发射和接受方法 进一步掌握示波器、信号发生器的使用方法 加深对波的传播、干涉、驻波、振动合成等理论知识的理解。 学习驻波法和相位法测试超声波在空气、水中的传播速度 实验器材 ZKY-SS声速测定实验仪(信号源、测定仪、水槽)、示波器 声波波长的测量方法 用驻波法或相位法测量声音在空气中 或水中的速度。 实验数据及处理 2)逐差法处理实验数据 3)空气中声速的理论值 注意事项 电源接通时,两超声换能器不得接触。 * * 移动支架 换能器 水槽 示波器 信号源 发射换能器的发射面与接收换能器的接收面要保持互相平行! zky-ss型声速测定实验仪主要由压电陶瓷换能器和读数标尺组成。 换能器结构图 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。压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器,反过来也可以使声压变化转化为电压变化,即用压电陶瓷片作为声频信号接收器。 压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成 2. 示波器 水平移位 聚焦调节 CH2通道 灵敏度调节(CH2) 灵敏度调节(CH1) 垂直移位(CH1) 触发电平 CH1通道 垂直移位(CH2) 亮度调节 扫描速度选择 3.信号发生器 频率调节 输出超声发射器驱动信号 输入超声接收信号 输出信号监测 输入信号监测 实验原理 声速、声源振动频率和波长之间的关系为 式中 为声速; 为频率; 为波长。 谐振时,声波频率就是低频信号发生器输出频率。因此声速测量是通过直接测量声波的波长。 一.驻波法(共振干涉法) 1.驻波的形成及特点 驻波方程 任意两相邻波腹(波 节)之间的距离为 . 波腹:振幅最大的点. 对应的位置: 波节:振幅最小的点. 对应的位置: 发射换能器S1发出的一定频率的平面声波,经过空气传播,到达接收器(接受换能器S2)。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,反射面处为驻波的波节。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。 声压变化与接收器位置的关系 移动接受器时、示波器所显示的信号幅度会由极大逐渐变小、然后再变大、相邻二次达到极大值的距离为?/2. 由纵波性质和驻波理论可知,接收面按振动位移来说处于波节时,接收到的声压相应达到最大值,所接受电信号最强。 示波器x, y轴输入波的相位差: 因为L改变一个波长时,相位差就改变 。利用李 萨如图形就可以测得超声波的波长。 二.相位比较法(李萨如图形法) 当移动接收换能器时将会发现:不仅椭圆的幅值大小会随发射——接收的 距离L发生变化,而且椭圆的相位亦发生变化。 相位差图 相位差与李萨如图形的关系 实验内容 一.寻找系统的谐振频率 实验步骤 1.转动丝杆寻找信号幅度最强的位置. 2.调节信号发生器的频率,使示波器上的信号幅度最大,此时信号发生器输出的频率值即为本系统的谐振频率f0 1. 接好电路(发射器——激振器、接收器——拾振器、发射监测——触发信号、接收监测——CH2 )。 2.选择连续正弦波工作模式(共振法、相位法),预热15分钟。 3.寻找谐振频率(CH2通道波幅最大时对应的频率)并记录此频率,在以后的实验中不得更改此频率。 4.将S2移近S1,在距离10cm附近找共振位置(振幅最大点),移动S2,依次记下各振幅极大时的x值,记录10组数据。 二. 驻波法测波长 1. 接好电路(发射器——激振器、接收器——拾振器、发射监测——CH1、接收监测——CH2 )。 2.选择连续正弦波工作模式。 3. 示波器设置为x、y工作状态,选择适当的档位,调出李萨如图形。 3.在共振频率下,使S2靠近S1,再缓慢远离S1,当示波器上出现斜线(△Φ=0、л),记下S2的位置x。 4.继续移动S2,示波器上李萨如图形相位发生周期变化,依次记下斜线出现时S2的位置x1,x2,…。 三.李萨如图形法 1.驻波法测量空气中的声速 1)实验数据 数据 数据 计算测量值与理论值的相对误差
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