聲速實驗裝置

① 聲速的測定實驗報告思考題答案

聲速的測量 思考題及解答
1.為什麼需要在駐波系統共振狀態下進行聲速的測量
因為當駐波偏離共振狀態時，駐波的形狀不穩定且聲壓腹的振幅比共振時達到的
最大值小得多，當駐波系統處於共振，這時駐波腹出現穩定的最大振幅。
2.用「駐波共振法」測波長時，如何調出示波器上正弦波形？
⑴示波器「Y軸衰減」旋鈕應置於較小數值檔。
⑵移動接收器S2時，熒光屏上寬頻的寬度應變化。如不變，可交換輸入到示波
器的兩接線柱位置，或交換輸入到發射器S1的兩接線柱位置。
⑶調節掃描頻率即可調出正弦波。
3.用「相位比較法」測波長時，如何調出橢圓或直線？
⑴接收器S2接收到的信號應從示波器「X輸入」端輸入，發射器S1信號應輸入到示波器「Y軸輸入」端，且「Y軸衰減」旋鈕應置於較大數值檔。
⑵如果還不能出現橢圓或直線，可交換S1或S2兩接線柱位置。
4.用「駐波共振法」和「相位比較法」測波長時，如嚴格按上述方法操作，還是調不出應有波形，怎麼辦？
此時可能是連接導線斷路或接頭接觸不好，應用萬用電表歐姆檔對每根導線進行檢查，確保每根導線無斷裂，各個接頭接觸良好。
5.為什麼在實驗過程中改變S1、S2間距離時，壓電換能器S1和S2兩表面應保持互相平行且正對？不平行會產生什麼問題？
因為只有當S1S2表面保持互相平行且正對時，S1S2間才可能形成駐波，才會出現波腹和波節，S2表面才會出現聲壓極大值，屏幕上才會出現正弦波振幅發生變化，由此可測超聲聲波波長。
如果S1、S2表面不平行，則S1、S2間形不成駐波，屏幕上正弦波振幅不會發生變化，就能用駐波共振法測波長，故實驗中必須使S1、S2表面平行。
6.如何調節與判斷測量系統是否處於共振狀態？
使用駐波共振法，當示波器上出現振幅最大正弦波時，表示S1、S2間處於駐波共振狀態。調節方法是移動S2，觀察示波器上正弦波振幅變化。
7.使用「駐波共振法」測聲速時，為什麼示波器上觀察到的是正弦波而不是駐波？
因為駐波是在發射器S1與接收器S2間形成，接收器S2接收到的是一個聲壓信號，在駐波波節位置，聲壓信號最強，輸入到示波器Y偏轉板，經X偏轉板掃描，故示波器上觀察到的是正弦波。
8.使用「駐波共振法」測聲速時，示波器上觀察到的正弦波振幅為什麼隨S1S2間距增大而越來越小？
這是因為超聲波在空氣中傳播時，由於波動能量總有一部分會被空氣吸收，波的
機械能會不斷減少，波強逐漸減弱，振幅逐漸減少。
9.用「相位比較法」測聲速時，為什麼只有當李薩如圖為直線時才讀數？
因為李薩如圖形為橢圓時，由於橢圓形狀、大小不確定，接收器S2位置難以確定。只有當李薩如圖形為直線時，圖形直觀唯一，容易確定S2位置。
10.測聲速時，「駐波共振法」與「位相比較法」兩種電路可交換嗎？
不能。因為駐波共振法只把接收器S2接收到的信號輸入到示波器Y偏轉板，觀
察到的是正弦波信號。而位相比較法把接收器S2信號輸入示波器X偏轉板，發射器S1
信號輸入到Y偏轉板，觀察到的是李薩如圖形。
11.為何兩種方法均測半波長值而不直接測波長值？
因為超聲波在空氣中有衰減，如果直接測波長值，測得數據個數少，由於衰減，
後面數據測不出來。而測半波長，數據個數多，又便於用逐差法處理數據，減少
測量誤差。

② 下圖為一聲速測量儀器的使用說明書和實驗裝置圖，閱讀並回答．（1）若把銅鈴放在甲、乙的中點，則液晶顯

（1）如果銅鈴在甲、乙中點，則銅鈴與甲的距離和與乙的距離是相等的，且由於聲速相同，所以聲音從銅鈴到達甲、乙的時間相同．故液晶屏的示數為0；
（2）因為銅鈴與甲、乙在一條直線上，所以銅鈴離乙的距離總是比甲正好遠甲、乙間的距離，由於乙比甲遠的距離是一定的，所以聲音傳到乙和甲的時間差是不變的；
（3）甲和乙之間的距離一定，由於溫度越高，聲速越大，所以聲音傳播到甲和乙的時間都會減少，故時間差也會減少；
（4）設聲速為v，則聲音從銅鈴傳到甲的時間為：t₁=

③ 如圖為一聲速測量儀器的使用說明書和實驗裝置圖,閱讀並回答問題.

已知：
s1＝20cm＝0.2m；s2＝80cm＝0.8m
△t＝1.8ms＝0.0018s
求：v
解：
聲音到達乙的時間：t乙＝s2/v＝0.8m/v
聲音到達甲的時間：t甲＝s1/v＝0.2m/v
再次時間差為：△t＝t乙－t甲＝1,8ms＝0.0018s
即：0.8m/v－0.2m/v＝0.0018s
解得：v＝333.33m/s

④ 超聲波聲速測定實驗的誤差的主要原因

超聲波聲速測定實驗中的誤差的主要原因為：

1、在發射換能器與接收換能器之間不是嚴格的駐波場；

2、發射的有可能為球面波；

3、用接收換能器做反射面也會使誤差增大；

4、調節超聲波的諧振頻率也會是誤差增大；

5、判斷最大值的位置不準確。

超聲波測量是指測量頻率超過16-20kHz的彈性波在岩體中傳播速度的方法。

(4)聲速實驗裝置擴展閱讀：

由於超聲波的波長小，發射的定向性高。所以能精確地測定超聲波傳播速度。

主要用於測試室內岩石試件，在測定范圍小於1m時亦可用來測定圍岩破裂、松動范圍等。它所用的儀器與聲波測量相同，僅發射裝置所激發波的頻率不同。

測量頻率為2-20kHz的彈性波在岩體中傳播速度和衰減的方法。它可用以測量岩石動彈性模量、圍岩的松動范圍、應力的變化和岩體工程分類的有關參數等。用於測量岩體表面和聲波測井的范圍為5-10m。中國礦山常用於井下測定岩石聲波傳播速度的儀器有SYC-2和SYC-3型。

參考資料來源：網路-超聲波測量