发布时间 : 星期三 文章物理实验更新完毕开始阅读793116aa0029bd64783e2cee
改装表的标准误差= ；改装表的级别： 。
电工仪表按照满度相对误差进行的等级划分标准： 等级 ±S% 0.1 0.1% 0.2 0.2% 0.5 0.5% 1.0 1.0% 1.5 1.5% 2.5 2.5% 5.0 5.0% [注意事项]
1、在改变调节与改装表头并联的电阻
的同时应调节使监控电表
的读数保持不变。
2、校正电流表和电压表时，都应使改装表取整数读数，且数据间隔相等，直到指针转到满刻度为止。
[思考题]
1. 电表扩大量程的方法和条件是什么? 2. 改装表为什么要校准?方法是什么?
3. 为什么校准电表时需要把电流(或电压)，从小到大做一遍又从大到小做一遍? 4. 在20℃时校准的电表拿到30℃的环境中使用，校准是否仍然有效?为什么?
实验十四声速测定
[实验目的]
1. 本实验是“示波器的原理和应用”实验的继续和深入，通过实验将检验学生对示波器使
用的熟悉程度。
2. 了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成理论知识的理解。 3. 学习用共振干涉法和相位比较法测定超声波在空气中的传播速度。
[实验原理]
声波是—种在弹性媒质中传播的机械波，振动频率在20-20000波，频率低于20
的声波称为次声波，频率高于20000
的声波称为可闻声
的声波称为超声波，声波的波
长，频率、强度、传播速度等足声波的特性。对这些量的测量是声学技术的重要内容，如声速的测量在声波定位、无损探伤、测距中有着广泛的应用。
由于超声波具有波长短、能定向传播等特点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。本实验就是测量超声波在空气中的传播速度。超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。在实际应用中，对于超声波测距、定位、测液体流速、测材料弹性模量、测量气体温度的瞬间变化等方面，超声波传播速度都有重要应用。
在波动过程中波速波长
和频率
之间存在着如下关系：
实验中可通过测定声波的波长和频率来求得声速。常用的方法有共振干涉法与
相位比较法。
1. 超声波的发射与接收---压电换能器。
本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的转换，压电换能器做波源具有平面性，单色性好以及方向性强的特点。同时，由于频率在超声范围内，一般的音频对它没有干扰，频率提高，波长
就短，在不长的距离内可测到许多个
。取其平均值，
的测
定就比较准确。这些都可使实验的精度大大提高。
压电陶瓷超声换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成。压电陶瓷片(如钛酸钡、锆钛酸铅等)是由一种多晶结构的压电材料做成的，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力T时，在极化方向上产生一定的电场强度E，它们之间有一简单的线性关系E=gT;反之，当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与电压U也有线形关系，因此我们就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的波源，同样也可以使声压变化转变为电压的变化，用来接收声信号。
在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属，组成夹心型振子。头部用金属做成喇叭型，尾部用重金属做成锥型或柱型，中部为压电陶瓷圆环，紧固螺钉穿过环中心。这种结构增大了辐射面积，增强了振子与介质的耦合作用，由于振子是以纵向长度的伸缩直接影响头部轻金属作同样的纵向长度伸缩(对尾部重金属作用小)，这样所发射的波方向性强，平面性好。 2. 驻波法测声速(共振干涉法)
按照波动理论，发生器发出的平面声波经介质到接收器，若接收面与发射面平行，声被在接收面处就会被垂直反射，于是平面声波在两端面间来回反射并叠加当接收端面与发射面间的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加后的波就形成驻波此叫相邻两波节(或波腹)间
的距离等于半个波长(即)。当发生器的激励率中等于驻波系统的固有频率(本实验中压电
陶瓷的固有频率)时，会产生驻波共振，波腹处的振幅达到最大值。
声波是一种纵波由纵波的性质可以证明，驻波波节处的声压最大。当发生共振时，接收端面处为一波节，接收到的声压最大，转换成的电信号也最强。具体实验装置如图(38-1)所示，图中
和
为压电陶瓷超声换能器，
作为超声源(发射头)，低频信号发生器发出
作为超声波的接收头，接收的声
的正弦电压信号接到换能器上后，即发出一平面声波，压转换成电信号后输入示波器观察，由
发出的超生波和由
在接收超生波的同时还反射一部分超生波。这样，
、
之间的区域干涉而形成驻波段。改变
、
反射的超生波在
之间的距离，在一系列特定的位置上，接收面上的声压达到极大值。相邻两极大值之
间的距离为半波长。移动接收器到某个共振位置时，如果示波器上出现了最强的信号，
继续移动接收器，再次出现最强的信号时，则两次共振位置之间的距离即为方法：在改变
和
。具体实验
之间的距离时，可以看到示波器上显示的信号幅度发生周期性的大小
，
变化，即由一个极大变到极小，再变到极大，而幅度每一次周期性的变化，就相当于
之间的距离改变了的频率
，，之间距离的改变由游标尺测得。由信号发生器可读出超声源
，这样就可以算出声速。
图14.1驻波法测声速实验装置
图14.2相位法测声速装置示意图
3. 相位比较法
波是振动状态的传播．也可以说是相位的传播．在波的传播方向上的任何两点，如果共振动状态相同或者其相位差为2π 的整数倍，这两点间的距离应等于波长的整数倍。实验采用如图(14.2)所示的实验装置。 从接收波之间产生相位差， 此相位差
发出的超声波通过煤质达到接收头和角频率
，在发射波和
，传播时间，声速v，距离l，
波长之间有下列关系：
由上式可知，若要使相位差长
。于是，根据相位差的2
改变2，那么，和的间距就要响应地改变一个波
，变化，便可以测量出波长来。声波频率由信号发生器读出，
依据波速公式便可算出波速。
若超声波发生器发出的声波是平面波，当接受器端面垂直于波的传播方向时，其端而上各点都具有相同的相位沿传播方向移动接收器时，总可以找到—个位置使得接受到的信号与发射器的激励电信号同相位．继续移动接受器，直到找到的信号再一次与发射器的激励电信号同相时，移过的这段距离就等于声波的波长。
需要说明的是，在实际操作中，用示波器测定电信号时，由于换能器振动的传递或放大电路的相移，接受器端面处的声波与声源并不相同，总是有一定的相位差。为了判断相位差并测量波长，可以利用双踪示波器直接比较发射器的信号和接收器的信号，进而沿声波传播方向移动接收器、找相位相同的点测量波长；也可以利用李萨如图形、寻找同相点或反相点。
根据李萨如图形测波长时，如果两个谐振动的频率相同，则李萨如图形是椭圆。椭圆的不同形象与两个振动的相位差有关，随着两个振动的相位差从0~变化，图形会从斜率为正的直线变为橢圆再变为斜率为负的直线。选择判断比较灵敏的即李萨如图形为直线的位置作为测量的起点。每移动一个波长的距离就会重复出现同样斜率的直线。
[实验仪器]
声速测量仪，示波器，信号发生器． 仪器介绍
图14.3声速测定仪示意图
1、压电换能器 2、增强片 3、变幅杆 4、可移动底座5、可动手轮 6标尺 7、底座
声速测量仪必须配上示波器和信号发生器才能完成测量声速的任务。声速测量仪(含两只压电换能器和游标卡尺或十分尺)示意图如图38—3所示声速测量仪是利用压电体的逆压电效应，即在信号发生器产生的交变电压下，使压电体产生机械振动，而在空气中激发出超声波。本仪器采用的是锆钛酸铅制成的压电陶瓷管或称压电换能器．将它粘接在合金制成的阶梯形变幅杆上再将它们与信号发生器连接组成超声波发声器．当压电陶瓷处于一交变电场时，会发生周期性的伸长与缩短，当交变电场频率与压电陶瓷管的固频有频率相同时，振幅最大．这个振动又被传递给变幅杆。使它产生沿轴向的振动，于是变幅杆的端面在空气中激