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        聲速的測量實(shí)驗(yàn)研究

        2021-01-20 08:43:50于洪杰
        關(guān)鍵詞:駐波聲速換能器

        于洪杰

        (齊齊哈爾工程學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾161005)

        1 概述

        筆者從基于聲速的測量基本原理出發(fā),對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了理論闡述,總結(jié)其誤差的來源,提出教師利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)講解實(shí)驗(yàn)原理,演示實(shí)驗(yàn)過程,借助物理軟件居家測量聲速實(shí)驗(yàn),對原理有更好的理解,更真的體驗(yàn),進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室利用儀器設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步測量聲速實(shí)驗(yàn),加深對實(shí)驗(yàn)過程的體驗(yàn),促進(jìn)對理論原理的理解,對駐波及振動(dòng)合成等理論知識有了更清晰的認(rèn)識。

        2 實(shí)驗(yàn)原理

        聲波的傳播速度v,可以由聲波頻率f 和波長 λ的乘積得到,即v =fλ

        其中聲波頻率可由信號發(fā)生器的顯示屏讀出,實(shí)驗(yàn)中的主要任務(wù)轉(zhuǎn)化為測量聲波的波長。

        2.1 共振干涉法(駐波法)

        設(shè)在坐標(biāo)原點(diǎn),入射波和反射波初位相為零,兩列振幅相同的相干波相向傳播的波動(dòng)方程分別為:

        式中A 為波的振幅,ω 為角頻率,λ 為波長。

        兩波在空間某點(diǎn)相遇,介質(zhì)中各處質(zhì)元的合位移可表示為[1]

        2.2 相位比較法

        合振動(dòng)方程為

        質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一、三象限一條直線。

        質(zhì)點(diǎn)仍在直線上作簡諧振動(dòng),軌跡在二、四象限。

        3 實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)計(jì)

        3.1 自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

        通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)講解演示實(shí)驗(yàn)過程,利用手機(jī)軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),搭建實(shí)驗(yàn)裝置測量實(shí)驗(yàn),利用手機(jī)1 中的Phyphox 軟件,發(fā)射特定頻率的聲音信號,作為信號的發(fā)射端,手機(jī)2 中的Phyphox 軟件接收聲源的信號,手機(jī)2 作為接收端,利用特定材料作為反射面,在聲源和反射面之間形成駐波,沿著刻度尺移動(dòng)作為接收器的手機(jī)2,可以看到周期性變化的聲壓。利用手機(jī)監(jiān)測信號,根據(jù)駐波干涉理論知識,確定所用信號的波長,根據(jù)v =fλ測定聲速。

        3.2 實(shí)驗(yàn)室裝置及設(shè)計(jì)

        采用壓電陶瓷超聲換能器來測定超聲波在空氣中的傳播速度,它是非電量電測方法的一個(gè)例子。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。

        圖1 實(shí)驗(yàn)裝置連接圖

        4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析(以駐波法為例)

        4.1 自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

        表1 駐波法測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(學(xué)生利用Phyphox 軟件自主設(shè)計(jì))頻率f=1200Hz 室溫t=270C

        波長值 λ=30.21cm,聲速的實(shí)驗(yàn)值 v =f λ=362.4m/s 。

        4.2 實(shí)驗(yàn)室搭建裝置數(shù)據(jù)處理

        聲波頻率f=37.198kHz

        表2 駐波法測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì))

        4.3 實(shí)驗(yàn)分析

        4.3.1 學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差分析

        手機(jī)發(fā)出的是球面波,實(shí)驗(yàn)室壓電換能器發(fā)出的超聲波近似為平面聲波,所以手機(jī)端發(fā)出的聲波不如超聲波方向性好,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測量存在誤差。學(xué)生是采用手動(dòng)移動(dòng)接收端信號的方式操作實(shí)驗(yàn)過程,這種方式會(huì)對接收到的信號幅度有影響,聲壓值會(huì)有所變化,測量的位置存在誤差,導(dǎo)致波長值存在誤差,從而引起聲速的測量誤差。

        4.3.2 實(shí)驗(yàn)室搭建裝置實(shí)驗(yàn)誤差分析

        聲波在壓電換能器發(fā)射端與接收端面間多次反射,能量損耗一部分,任意兩相鄰極大值的間距不等,引起聲速測量存在誤差。聲速測量過程中通過旋轉(zhuǎn)鼓輪來改變接收器與發(fā)射器的距離,確定坐標(biāo)位置,當(dāng)接收信號的振幅達(dá)到極大值時(shí)記錄相應(yīng)的位置,但極大值的位置確定時(shí)存在誤差,一方面是讀數(shù)誤差,另一方面極大值位置確定時(shí)產(chǎn)生的回程誤差[3-5]。波動(dòng)方程中假設(shè)在坐標(biāo)原點(diǎn)反射,實(shí)際反射面發(fā)生在換能器面上,在兩換能器面間無數(shù)次反射疊加建立了完善的模型。

        5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        通過網(wǎng)絡(luò)自學(xué)實(shí)驗(yàn)原理,有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立獲取知識的能力,借助軟件自主搭建實(shí)驗(yàn)裝置,有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,有利于提高學(xué)生活躍的創(chuàng)新意識,實(shí)驗(yàn)從頭至尾由學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)、自行設(shè)計(jì)、親自操作,體驗(yàn)過程本身就對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程有了更深層次的理解,這一過程體現(xiàn)了以學(xué)生學(xué)習(xí)效果為中心。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)誤差的對比分析,有利于學(xué)生加深對駐波及振動(dòng)合成等理論知識的理解,對后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)有很好的促進(jìn)作用。整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程以生為本,注重實(shí)效,同時(shí)對聲速測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)有重要指導(dǎo)意義。

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