X15-X5
91.501
91.570
90.905
90.531
92.391
X16-X6
X17-X7
X18-X8
X19-X9
X20-X10
92.932
92.771
92.743
92.500
91.837
λ（λ=ΔX）
9.150
9.157
9.091
9.053
9.239
9.293
9.277
9.274
9.250
9.184
由此可见，在经过△x距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差（相移）为θ= 2π△x /λ。如图5所示。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长。
4.时差法测量原理
连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：
λ的平均值
9.197
数据处理：
1）驻波共振法数据处理如下：FN= 37.612KHz
对于波长 ， ==0.05930
B类不确定度 ;
合成不确定度 =0.05931
对于频率 ，只有B类不确定度
=344.5575 m/s
V的不确定度 =12.11 m/s
结果表达式： 344.5613 12.11 m/s
12.11 m/s
2）相位比较法数据处理如下：
对于波长 ， =0.08304
B类不确定度 ;
合成不确定度 =0.08305
对于频率 ，只有B类不确定度
=344.5613 m/s
V的不确定度 =11.35m/s
结果表达式： 344.5613 11.35 m/s
11.35m/s
八、【实验结果分析与小结】
速度V=距离L/时间t
图4发射波与接收波
通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。
五、【实验内容】
1.仪器在使用之前，加电开机预热15min。在接通市电后，自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态。
2.驻波法测量声速。
2.1测量装置的连接：
图5驻波法、相位法连线图
9.382
9.208
9.187
9.196
9.194
9.195
9.188
9.193
9.195
9.204
λ的平均值
9.214
2.相位比较法
FN=37.395KHz
项目
S2坐标/mm
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X8
X9
X10
40.081
49.258
59.333
69.011
76.314
85.132
94.345
超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节发射强度旋钮，使声速测试仪信号源输出合适的电压（8～10VP-P之间），再调整信号频率（在25～45kHz），选择合适的示波器通道增益（一般0.2V～1V/div之间的位置），观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5～37.5kHz之间）电压幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，记录频率FN，改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重新调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率f。
图3 用李萨如图观察相位变化
在连续多次测量相隔半波长的S2的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。
3.相位法测量原理
由前述可知入射波ξ1与反射波ξ2叠加，形成波束ξ3
即ξ3=A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos（ωt - 2πx /λ)
即对于波束：ξ1=Acos（ωt - 2πx /λ)
波长λi=│Li-Li-1│
4.干涉法/相位法测量数据处理
已知波长λi和频率fi，（频率由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。）则声速Ci=λi×fi。
因声速还与介质温度有关，所以必要时请记下介质温度t℃。
5.时差法测量声速步骤
图6 时差法测量声速接线图
按图6所示进行接线。将测试方法设置到脉冲波方式，并选择相应的测试介质。将S1和S2之间的距离调到一定距离（≥50mm），再调节接收增益，使显示的时间差值读数稳定，此时仪器内置的计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和信号源计时器显示的时间值Li-1、ti-1。移动S2，如果计时器读数有跳字，则微调（距离增大时，顺时针调节；距离减小时，逆时针调节）接收增益，使计时器读数连续准确变化。记录下这时的距离值和显示的时间值Li、ti。则声速Ci=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。
如图5所示，信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出一定频率的功率信号，请接至测试架的发射换能器（S1）；信号源面板上的发射端的发射波形Y1，请接至双踪示波器的CH1（Y1），用于观察发射波形；接收换能器（S2）的输出接至示波器的CH2（Y2）
2.2测定压电陶瓷换能器的最佳工作点
只有当换能器S1的发射面和S2的接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到换能器S1、S2的谐振频率点处时，才能较好的进行声能与电能的相互转换（实际上有一个小的通频带），以得到较好的实验效果。按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率，估计一下示波器的扫描时基t/div，并进行调节，使在示波器上获得稳定波形。
物理实验报告
一、【实验名称】
超声波声速的测量
二、【实验目的】
1、了解声速的测量原理
2、学习示波器的原理与使用
3、学习用逐差法处理数据
三、【仪器用具】
1、SV-DH-3型声速测定仪段
2、双踪示波器
3、SVX-3型声速测定信号源
四、【仪器用具】
1.超声波与压电陶瓷换能器
频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。
在上述假设条件下，发射波ξ1=Acos（ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射，反射波ξ2=A1cos（ωt+2πx /λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A1＜A。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加，合成波束ξ3
ξ3=ξ1+ξ2=(A1+A2）cos（ωt-2πx /λ)+A1cos（ωt+2πx /λ)
=A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos（ωt - 2πx /λ)
图1 纵向换能器的结构简图
压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图1为纵向换能器的结构简图。
2.共振干涉法（驻波法）测量声速
假设在无限声场中，仅有一个点声源S1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。
X5
X6
X7
X8
X9
X10
43.118
47.578
52.260
56.916
61.438
66.072
70.550
75.252
79.929
84.400
X11
X12
X13
X14
X15
X16
X17
X18
X19
X20
90.027
93.620
98.195
102.894
107.406
112.048
116.490
121.215
125.902
130.420
逐差
（10ΔX）
X11-X1
X12-X2
X13-X3
X14-X4
X15-X5
46.909
46.042
45.935
45.978
45.968
X16-X6
X17-X7
X18-X8
X19-X9
X20-X10
45.976
45.940
45.963
45.973
46.020
λ（λ/2=ΔX）
2.3测量步骤
将测试方法设置到连续波方式，合适选择相应得测试介质。完成前述2.1、2.2步骤后，观察示波器，找到接收波形的最大值。然后转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，记录下幅度为最大时的距离Li-1，距离由数显尺（数显尺原理说明见附录2）或在机械刻度上读出，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离Li。即有：波长λi=2│Li-Li-1│，多次测定用逐差法处理数据。
103.542
113.094
122.388
X11
X12
X13
X14
X15
X16
X17
X18
X19
X20
131.582
140.828
150.238
159.542
168.705
178.064
187.116
196.285205.ຫໍສະໝຸດ 94214.225逐差
（10ΔX）
X11-X1
X12-X2
X13-X3
X14-X4
九、【附上原始数据】
由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx /λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx /λ)呈周期变化的特性。
图4所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx /λ)变化的特征。