声速的测量的实验原理和应用_【声速测量】实验须知

【操作常见错误】

 1. 忘记记录源频率f0,或选错源频率f0, 每一台设备的源频率都不相同,在导轨左、右两侧可以找到,如下图为“37420”

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 2. 超声波的发射器和接受器端面不平行,甚至不与轨道垂直

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解决办法:拧松发射器或接收器后面的螺丝,然后调整端面平行,并且与轨道垂直,然后再拧紧螺丝

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3.线缠绕导致机器损坏:接收器来回运动过程中,与其相连的线非常容易缠绕在导轨中间的光电门上,导致机器损坏

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解决办法:测量时,在不影响接收器运动的情况下,用手扶着引线,避免缠绕

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4.控制器的显示屏出现“8.8.8.8.8”

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这是接收器跑到左或右限位外面造成的

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解决办法:将接收器移动回两限位之内即可

【原理简介】

声波是在弹性媒质中传播的一种机械波,振动频率在20Hz ~20kHz的声波可以被人们听到,称为可闻声波;频率超过20KHz的声波称为超声波。

对于机械波、声波、光波和电磁波而言,当波源和观察者(或接收器)之间发生相对运动,或者波源、观察者不动而传播介质运动时,或者波源、观察者、传播介质都在运动时, 观察者接收到的波的频率和声源的频率不相同的现象,称为多普勒效应。

我们的实验目的在于学习用多普勒效应测量声速,加强对多普勒效应的理解。设声源在原点,声源振动频率为f,接收点在x,运动和传播都在x方向。对于三维情况,处理稍复杂一点,其结果相似。

当声源、接收器和传播介质不动时,在x方向传播的声波的数学表达式为:

 p = p0*cos[ω(t-x/u)]

如果声源、介质不动,接收器运动速度为Vr,可得接收器接收到的频率:

fr=(1+Vr/c0)*f0

频率增量f = fr - f0,则有

f=(Vr/c0)*f0;

接收点向着声源运动时Vr为正,反之为负。如果我们测量出f与Vr的比例系数k,则声速可得

c0=f0/k

【实验仪器】

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实验仪器主要包括:智能控制系统

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多普勒效应综合测试仪

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导轨以及上面的两个换能器,实验采用的超声波来自于导轨左侧发射端的换能器。

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换能器是一种压电陶瓷材料,可以随着加在其上的正弦交变电压发生纵向伸缩,从而产生同频率的机械振动,进而产生声波。同样,它也可以在声波的作用下,把机械振动变为电信号。实验所用的压电陶瓷换能器的固有频率通常处于40KHz,所以产生的声波是超声波。

超声波具有波长短、方向性强的优点,传播到导轨右侧接收端的换能器后,接收到的声波频率会因接收换能器的运动而产生多普勒效应, 即接收到的频率高于或低于源频率f0。

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接收换能器的运动由智能控制系统(红色屏)控制,测得接收频率则显示于综合测试仪(蓝色屏)。选取不同的换能器运动速度,多次测量后可以得到f与Vr的比例系数k。

【实验步骤】

1.检查仪器:包括智能控制系统和综合测试仪是否正常显示,两个换能器是否松动,端面是否平行,接收换能器是否处于左右限位之间,如果跑出左右限位,则通过手轮调整回左右限位。

2.打开综合测试仪,进入“多普勒效应实验”子菜单,切换到“设置源频率”后,按左右三角键增减信号频率,使其达到固有频率f0(导轨左上角或右上角已标注),切换到“瞬时测量”,准备测量

3.打开智能控制系统,设置速度和方向,

注意:在匀速运动模式下,即显示速度V为0.XXXm/s或-0.XXXm/s(“-”表示方向为负),单击右三角键,进入速度设定模式,显示速度V为0.XXXm/s或-0.XXXm/s,并且高位“0”处于闪烁状态;这时再按上三角键(速度增加)或下三角键(速度减小)来对速度的大小进行设定,设定好后再单击键进行确定即可。

5.按“run“使小车正或反通过中间测速光电门,每次测量完毕后记下测量频率f,瞬时速度Vr

6.通过最小二乘法计算比例系数k

7.测量空气温度,通过理论公式计算声速理论值,并计算实验与理论结果的误差百分比

【数据样本】

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