测超声波速度实验报告的思考题 测量超声波在空气中的传播速度【实验简介】声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。声波的振动频率在20Hz～20KHz时，可以被人听见；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20KHz的声波称为超声波。对于声波特性的测量是声学技术的重要内容。声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。本实验分别采取了驻波法和相位法测量超声波在空气中的传播速度。【实验目的】1.学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。2.深刻理解驻波的特性，以及相位的物理含义。3.了解产生和接收超声波的原理。【预习思考题】1.什么是驻波以及驻波的特点是什么？2.什么是共振？怎么样来判断测量系统是否处于共振状态？3.怎么样确定最佳工作频率？4.相位法中比较的相位是哪两个相位？【实验仪器】示波器，声速测试仪，信号发生器。【实验原理】1.声速的测量声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系：测出声波波长和声源的振动频率就可以由式求出声波的传播速度。声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。驻波法测声速驻波法是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波做测量的。由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。改变声源和刚性反射面之间的距离l，驻波场中各质点振动的振幅也在发生明显的变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足l?n?2时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x，在满足式的位置上可以观察到驻波共振状态。由式可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离?x为?，即2?x??2()只要能够测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离?x，就可以求出声波的波长，从而由式()计算出声速。这种测量声速的方法又称为驻波共振法。实验中，通过用示波器观测反射端处的振动状态来判断质点是否处于驻波共振状态。相位法测声速相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来做测量的。由声源发出的声波在沿其传播方向上，相位差为?的两质点之间的距离为半个波长因此，只要能够测出相位差为?的两质点之间的距离?d，就可由?d??，2?2()计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。实验中保持声源的位置不变，改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的相位差，记下相位差每变化?时反射面的位置d，求出相位差变化?时反射面位置的变化?d。示波器测两信号的相位差有两种方法：双踪示波法和李萨如图形法，本实验用李萨如图形测两点的相位差。将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上，在示波器上观察到的李萨如图形是一椭圆，当改变反射面的位置时，两信号的相位差发生明显的变化，李萨如图形由椭圆→直线→椭圆→直线发生周期性变化，如图所示，其中相邻两次出现直线时反射面位置的变化就是相位差为?时两质点的距离?d。?2??1?0?2??1??2?2??1??图?2??1?3?22.声波的发射和接收－压电换能器任何振动的物体都可当作其周围媒质的声源，但要产生持续而频率单一的声波，通常都采用电声转换的方法。实验室为避开音频区域对人听觉的影响，也为避免周围音频对实验的干扰，采用了超声频段，压电换能器是发射和接收超声波的器件。压电换能器是根据某些晶体具有压电效应而制成的。当这些晶体受压或拉伸时，其表面会出现电荷而有电压；反之，当在这些晶体的两个面上加电压时，晶体就会收缩或伸展。实验使用由钛酸钡压电材料制造成的超声波发射器和接收器，其结构如图所示。当在它的两个电极加上单一频率的正弦电压信号时，压电片将产生同频率的机械伸缩，由此产生同一频率的超声波，反之，压电换能器也可将接收到的超声波信号转换为电压信号从两个电极输出。振动物体都有自身的固有频率，它取决于振动体材料的性质和几何尺寸。当加于压电片的信号频率等于压电片的固有频率时，就会产生机械共振。图中的f0就是达到共振的谐振频率，此时发射的声波最强。因此，在使用时应将电信号的频率调为该压电片的谐振频率。图图【实验内容与步骤】1.驻波法测声速将信号发生器输出的正弦波信号加在声速测试仪的发射端，声速测试仪的接收端与示波器相连。如图所示。图转动距离调节手把，使声速测试仪的发射端和接收端的两个端面相距为1cm左右，并使两个端面保持平行。调节信号发生器的频率，观察示波器上波形幅度的变化，当接收到的信号幅度最大时，记录信号发生器的频率f，并在实验中保持f不变。缓慢转动距离调节手把，使声速测试仪的接收端远离发射端，观察示波器上图形的变化。当示波器上波形幅度最大时，记录声速测试仪接收端的位置读数。转动手把连续读取10个波形幅度最大时测试仪接收端的位置读数。相邻读数的差值即为λ/2。用逐差法求波长，将f和代入()式求出声波的速度。2.相位法测声速在驻波法测声速的连线基础上，将信号发生器输出端再引出一根线接入示波器的Y端口，将示波器的“扫描频率”旋钮旋至“x－y”位置，即将示波器调至观察李萨如图形的状态，如图所示。图缓慢转动距离调节手把，观察示波器上图形的变化。当出现图4·2·4中的直线时，记录声速测试仪接收端的位置读数。转动手把连续读取10个直线出现时测试仪接收端的位置读数。相邻读数的差值即为λ/2。用逐差法求波长，由式计算声速，并计算其不确定度。【需要注意的几点】1.每台声速测试仪的谐振频率不同，实验时要注意仪器所标示数，找出自己使用的仪器的谐振频率，并按实验要求微调出最佳值。2.注意消除螺距差。3.实验时要减少振动和手接触仪器的面积，以减少干扰。【思考题】1.声波的传播速度与温度等条件有关，当空气的气温变化时，声速将怎样变化？2.本实验选取超声频段，以减少干扰，如果要求测试可闻声波频段，实验装置应怎么样改进。3.可否测量声波在水中的速度?实验装置应怎么样改进?并且利用此装置可否测量某种液体的密度?简述实验方案。目录1、课题设计的目的和意义????????????????32、课题要求??????????????????????3、基本功能要求???????????????????3、提高要求?????????????????????43、重要器件功能介绍??????????????????4、CXXX6A红外线发射接收专用芯片??????????4、AT89C51系列单片机的功能特点???????????5、ISD1700优质语音录放电路?????????????64、超声波测距原理???????????????????84．1、超声波测距原理图????????????????8、超声波测距的基础原理???????????????95、硬件系统模块设计????????????????????10、超声波发射单元??????????????????10、超声波接收单元?????????????????11、显示单元??????????????????????11、语音单元??????????????????????12、硬件设计中遇到的难题：???????????????126、系统软件设计?????????????????????147、调试与分析??????????????????????15调试?????????????????????????15误差分析???????????????????????158、总结?????????????????????????169、附件?????????????????????????17、总电路…………………………………………………...17、主要程序…………………………………………………1810、参考文献???????????????????????221课题设计的目的及意义随着科学技术的加快速度进行发展，超声波在测距仪中的应用越来越广，但就目前技术水平而言，人类能利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蒸蒸日上而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距作为一种新型的很重要有用的工具在各方面都有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。如声纳的发展的新趋势：研究具体的高定位精度的被动测距声纳，以满足军事和渔业等的发展需求，实现远程的被动探测和识别。毋庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。超声波测距在某一些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量，所以他就能够在某一些场合或环境比较恶劣的环境下使用。比如测有毒或者有腐蚀性化学物质的液面高度或者高速公路上快速行驶汽车之间的距离。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最注重发展到具有创造力。在新的时代，测距仪将发挥更大的作用。2课题要求以单片机AT89C51为中心控制单元，配以超声波发射、接收装置，实现超声波发射及接收其遇到障碍物发生反射形成的回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，设计出一套基于单片机的脉冲反射式超声波测距系统，利用单片机做相关操作控制，用数码管作输出显示，设计发射、接收、检测、显示硬件电路和测距系统软件。、基本功能要求：、能实现测距操作；、能清晰稳定地显示测量结果,具有测量完成提示；、能正确实现单次测量；、测量范围在——2m；、测量精确度2cm。、提高要求：、能实现单次测量和连续测量两种测量方式；、测量结果能够用语音播报；、测量范围在——；、测量精确度1cm。备注：采用AT89C51单片机；采用CXXX6超声波接收芯片。3、重要器件功能介绍CXXX6A红外线发射接收专用芯片CXXX6A红外线遥控接收前置放大电路，多适用于电视机。内部电路由前置放大器，自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。CXXX6A是CXXX6的改进型，二者之间(转载于:写论文网:测超声波速度实验报告的思考题)的主要差别在于电参数略有不同。CXXX6A也同样适用于超声波测试，主要频率在38KHZ~41KHZ，在超声波应用中通常选取40KHZ。1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。2脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=Ω，C1=1μF。3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度较高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为μf。4脚：接地端。5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。6脚：该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8脚：电源正～极，AT89C51系列单片机的功能特点51系列单片机中典型芯片AT89C51采用40引脚爽直插封装形式，内部有CPU、4kb的ROM、256B的RAM、2个16B的定时/计数器T0和T1/4个8B的I/O端：P0，P1,P2,P3,一个全双工串行通信口等组成。特别是该系列单片机内的Flash可编程、可擦出制度存储器，使其在实际中有着十分广泛的实验设计说明书题目：利用超声光栅测液体中的声速院部：理工科基础教学部专业班级：物理学1班学生姓名：某某某学号：41106XXX实验日期：XX年5月21日超声光栅测液体中的声速人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，此现状称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域有代表性的实验。一、实验目的学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。测定超声波在液体中的传播速度。了解超声波的产生方法。二、仪器用具分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。三、实验原理将某些材料的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。正文：光声效应的发现无疑是物理学两大分支的又一次融合，利用超声光栅测量液体中的声速就是这一物理现象的应用。此次实验的仪器包括超声光栅池、超声仪、分光计、测微目镜以及光源。由于声波是纵波，所以当超声波在液体传播时，声波的振动会引起液体密度空间分布的周期性变化，进而导致液体的折射率亦呈周期性分布。如果在某一时间t0，液体密度的空间函数为：??x???0???sin??st0???2???x?①??其中，?0是液体的静态密度，??是密度的变化幅度，?s是超声波的角频率，?是超声波长，x是超声波的传播方向，也是密度变化的空间方向；此时，折射率2???的空间函数为：n?x??n0??nsin??st0??x?②，其中n0为液体的静态折射率???，?n为折射率的变化幅度。试验装置原理图如下图所示实际实验装置图方向为箭头所示方向矩形A就是超声光栅槽，超声波传播方向垂直于光的传播方向，当超声源B发出的超声波传播到A面，被反射回来，与入射波相干，形成驻波其密度空间结构满足①式，其折射率满足②式，又由于光速远大于声速，故当光穿过超声光栅时，可认为折射率不随时间变化，?2??即n?x??n0??nsin??x????呈周期性变化，则可看做一个平面光栅，且其光栅常数为?，因为其空间结构的分布周期为?。有光栅方程可知：sin??j?0，?j?Z?其中?0为光在真空中的?波长。另一方面，当光想通过光栅形成的衍射条纹落在测微目镜的焦平面上，其衍射角还可以表示为：tan??sin??j?0x，其中f为测微目镜的焦距，所以就有f??x??x，于是?0?0，式子中的vs就是要测的声速，其中fs为超声波fffs?fsvs的频率，其值可以由超声仪读出，这样，就测出了声速，其表达式为vs??0ffsx③四、实验内容及步骤调节分光计到正常测量状态。将线路连接好，在超声光栅盒中加入适当的水，将超声光栅盒放在分光计的载物台上，使超声波的传播方向与入射波垂直。确定高频电压的频率。适当调节高频电压的频率，微微调节压电换能器与反射器之间的距离，以便观察最佳的衍射条纹。实验过程，第一步，对分光计进行准直调节；第二步，在超声光栅池中倒入清水；第三步，打开光源，在测微目镜中能清楚看到一条白色竖直亮条纹，微调测微目镜的距离，使条纹变得清晰；第四步，打开超声源开关，并调节超声波频率，使视野中出现尽可能多的衍射条纹；第五步，转动测微目镜上的螺旋测微器旋钮，记录每条条纹的相对位置，并求其条纹间距x；利用公式③，求出声速。此次实验所用超声波频率fs?，测微目镜焦距f?170mm，光在线nm，测得数据如下表所示：?????3?x??ff598nm?170mm??/s所以，求得声速为：vs?0s?由于实验只有一组数据测量，故无不确定度。所以，测量结果：v?/s需要注意的几点：⑴、实验所用超声仪易发热，为了不使仪器过热，应该尽快记录数据，然后断电。⑵、实验结束，超声池中的水应尽快清理，不应长时间浸泡在液体槽内。⑶、超声仪的频率易受外界变化的影响，只要外界变化使其导线电容分布变化，就会对输出频率产生一定的影响，因此应尽可能的避免震动以及触碰导线。⑷、共振频率一般在10MHz左右，实验中应尽可能的避免超声仪的频率高于11MHz，一面电路过热。思考⑴、由公式①要得到公式②，必须首先知道一个前提，就是，同种物质的折射率与其密度成正比，若不是，则不能推出②，理由是，如果折射率和密度无关或成其他关系，则液体的密度呈周期性分布时，其折射率可能不变或成其他关系，只是周期性任旧存在。⑵、在⑴的前提之下，载有超声波的液体为什么与熟悉的平面光栅有同样的效果？这是因为，当折射率成周期性分布时，平行光垂直与超声波传播方向通过液体时，不同位置光的光程不一样，就等于光线通过了折射率相同而宽度呈周期性变化的透明玻璃，故会发生衍射。⑶、任意频率的超声波在此实验中都能形成驻波，，而在于压电换能器达到共振是衍射条纹才会明显增多而且明亮，是因为，如果频率与共振频率相差较大时，虽然已形成光栅，但是还可能不够明显，对光的衍射较微弱，现象不明显，所以只有在达到共振时才有明显的衍射条纹。⑷、由于实验中所用的光是白光，经过衍射会发生色散现象，这对测量条纹间距造成了一定的困难，若用单色钠光源，则实验效果更加好；本实验中，由于光的色散，会出现彩色条纹带，为了与规定相符，记录数据时，记录黄色光所产生的条纹的位置，作为条纹位置，上面图片中呈现绿色是因为照相机的原因。⑸、由于实验中超声仪的频率很不稳定，很难抓住条纹数目最多的时刻，用逐差法求条纹间距，3x?

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