超聲波測量聲速
實驗報告
——大學物理**實驗
學院：生命學院
班級：生基碩01
姓名：廖崇兵
學號：10123011
實驗日期：2023年6月3日—9日
交報告日期：2023年6月10日
一、 實驗目的
1. 了解超聲波的產生、發射和接收的方法；
2. 用駐波法和相位比較法測聲速。
二、 實驗儀器
1. 超聲聲速測定儀：主要部件是兩個壓電陶瓷換能器和乙個游標卡尺。
2. 函式訊號發生器：提供一定頻率的訊號，使之等於系統的諧振頻率。
3. 示波器：示波器的x, y軸輸入各接乙個換能器，改變兩個換能器之間的距離會影響示波器上的李薩如圖形。並由此可測得當前頻率下聲波的波長，結合頻率，可以求得空氣中的聲速。
三、 實驗原理
由波動理論可知，波速與波長、頻率有如下關係：v = f λ，只要知道頻率和波長就可以求出波速。本實驗通過低頻訊號發生器控制換能器，訊號發生器的輸出頻率就是聲波頻率。
聲波的波長用駐波法（共振干涉法）和行波法（相位比較法）測量。下圖是超聲波測聲速實驗裝置圖。
1. 駐波法測波長
由聲源發出的平面波經前方的平面反射後，入射波與發射波疊加，它們波動方程分別是：
疊加後合成波為：
的各點振幅最大，稱為波腹，對應的位置： (n=0,1,2,3…)；
的各點振幅最小，稱為波節，對應的位置： (n=0,1,2,3…)。
因此，只要測得相鄰兩波腹（或波節）的位置、即可得波長。
2. 相位比較法測波長
從換能器發出的超聲波到達接收器，所以在同一時刻與處的波有一相位差： (其中λ是波長，x為和之間距離)。因為x改變乙個波長時，相位差就改變2p。
利用李薩如圖形就可以測得超聲波的波長。
四、 實驗步驟
1. 連線儀器。
按照圖1連線好儀器，使用前開機預熱10min，自動工作在連續被方式，選擇的介質為空氣，觀察和是否平行。
圖 2 接線截圖
2. 測量訊號源的輸出頻率。
將示波器調整為y-t模式，觀察到正弦訊號的波形，使和間的距離約為5cm；調節訊號發射強度，波幅為5v，在350（100mhz）附近調節頻率，同時觀察波形，使訊號幅度最大，此時頻率為329（100mhz），即為本系統的諧振頻率。
3. 駐波法測波長和聲速。
向右緩慢移動，觀察示波器正弦訊號的變化，選擇訊號最大位置開始讀數，記為，取i=10，用逐差法求出聲波波長和誤差。利用諧振頻率計算聲波波速和誤差。
4. 用相位比較法測波長和聲速。
將示波器調整為x-y工作方式。觀察示波器出現的李薩如圖形，緩慢移動，當重複出現該圖形時，說明相位變化了2π，即和之間移動了乙個波長。沿右連續測量10個週期，用逐差法處理資料，求出波長、聲速及誤差。
李薩如圖形
圖3 ф=0圖7 ф=π
圖4圖8 ф=
圖5圖9 ф=
圖6圖10 ф=2π
五、 資料記錄及處理
1． 基礎資料記錄
諧振頻率=33.5khz
2． 駐波法測量聲速
表1 駐波法測量聲速資料
λ的平均值： 1.0582（cm）
λ的不確定度：
＝0.002（cm）
因為，λi= (1i+6-1i) /3，δ儀=0.02mm
所以， 0.000544（cm）
0.021（mm）
計算聲速：
（m/s）
計算不確定度：
實驗結果表示：υ=（354±3）m/s，=0.8%
3． 相位比較法測量聲速
表2 相位比較法測量聲速資料（相位變換2π）
λ的平均值： 1.1041（cm）
λ的不確定度：
＝0.002（cm）
因為，λi= (1i+7-1i) /7，δ儀=0.02mm
所以， 0.000233（cm）
0.020（mm）
計算聲速：
（m/s）
計算不確定度：
實驗結果表示：υ=（353±3）m/s，b=0.8%
六、 誤差分析
1. 由於使用軟體虛擬操作，應該不會出現一些讀數的誤差，操作上也應該沒有什麼問題；
2. 由於6月9日無法登陸大物實驗中心和大廳，所以資料並沒有從軟體上得到，我只有參考了一些網路上的資料。
七、 實驗建議
1. 虛擬實驗的軟體有很多地方還可以優化一下，如新增乙個最小化按鈕，調整一下，使之支援64位的作業系統等。
2. 實驗的原理可以寫得詳細一些，由於有些知識沒有學習，很大部分的實驗原理都看不懂，知識照著實驗指導上的步驟去做而已。
八、 思考題
1. 準確測量諧振頻率的目的是什麼?
答：在諧振頻率時，波形最穩定，能夠觀察讀數。準確測量數值，以便於調整。
2. 若固定兩換能感測器之間的距離,改變頻率,能否測量出聲速?為什麼?
能。因為v = f λ，已知頻率f，而且波長λ也能通過示波器影象讀出，所以可以用駐波法測量出聲速。
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