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