CN108180974A - 一种超声双缝干涉声速测量仪器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的是一种超声双缝干涉声速测量仪器及其测量方法，其结构包括超声信号源，双踪示波器，接收换能器，滑槽，载物台，读数盘，小游标，双缝装置，发射换能器；其中载物台设于读数盘上表面中心处，后端固定双缝装置，双缝装置连接发射换能器；2个小游标对称设于读数盘的上表面边缘，读数盘的前端连接滑槽，滑槽上设有接收换能器；超声信号源的S1端口连接发射换能器，S2端口连接接收换能器，Y2端口连接双踪示波器的CH2(Y)端口。优点：1）仪器结构简单，操作流程方便；2）利用双缝干涉原理测量声速，有利于学生对声波动特性的理解；3）原理简单，可视性强，能直观显示双缝干涉现象；4）避免测量过程中的回程误差。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种超声双缝干涉声速测量仪器及其测量方法，属于测量教学仪器技术领域。
背景技术
在现有技术中，测量超声波声速的方法主要包括以下几种：1）驻波法测声速，通过入射波和反射波合成后形成驻波，根据驻波相邻波节的间距来测量声波的波长和声速；2）相位法测声速，将发射波通过传声媒质到达接收器，在同一时刻发射处的波与接收处的波存在相位差，将发射波和接受波分别输入到示波器的x和y输入口，由于接受信号的位置不同，其与发射波滞后的相位也不同，利用示波器的李萨如图形来观察和测量声波的波长和声速；3）时差法，将声波在介质中传播不同的距离，通过距离差和时间差来计算声速。
以上几种测量方法中，传统的驻波法和相位法在测量声速时，由于在接收器和发射器之间的波的形式较为复杂，使得两种方法的原理描述复杂，学生不易理解和掌握，而时差法由于距离短，测量误差较大。本发明根据光学中杨氏双缝干涉实验原理设计出超声波双缝干涉测量声速的实验装置，运用波的干涉原理，将声波接收器接受到的干涉信号输入到示波器，通过示波器来显示干涉相长和干涉相消现象。
发明内容
本发明提出的是一种不同于运用驻波法、相位法和时差法测量声速的超声双缝干涉声速测量仪器及测量方法，该仪器结构简单，测量原理和操作流程方便，可视度好，且数据测量可靠，能够避免测量过程中的回程误差问题，且更利于在教学过程中提高学生对波的干涉特性的理解。
本发明的技术解决方案：一种超声双缝干涉声速测量仪器，其结构包括超声信号源1，双踪示波器2，接收换能器3，滑槽4，载物台5，读数盘6，小游标7，双缝装置8，发射换能器9；其中载物台5设于读数盘6上表面中心处，载物台5的后端固定双缝装置8，双缝装置8连接发射换能器9；2个小游标7以载物台5为中心对称设于读数盘6的上表面边缘，读数盘6的前端连接滑槽4，滑槽4上设有接收换能器3；超声信号源1的S1端口连接发射换能器9，S2端口连接接收换能器3，Y2端口连接双踪示波器2的CH2(Y)端口。
本发明的优点：
1）仪器结构简单，操作流程方便；
2）利用双缝干涉原理测量声速，有利于学生对声波动特性的理解；
3）原理简单，可视性强，能直观显示双缝干涉现象；
4）避免测量过程中的回程误差。
附图说明
附图1是超声双缝干涉声速测量仪器的结构示意图。
附图2是超声双缝干涉声速测量仪器的测量原理图。
图中1是超声信号源，2是双踪示波器，3是接收换能器，4是滑槽，5是载物台，6是读数盘，7是小游标，8是双缝装置，9是发射换能器。
具体实施方式
如图1所示，一种超声双缝干涉声速测量仪器，其结构包括超声信号源1，双踪示波器2，接收换能器3，滑槽4，载物台5，读数盘6，小游标7，双缝装置8，发射换能器9；其中载物台5设于读数盘6上表面中心处，载物台5的后端固定双缝装置8，双缝装置8连接发射换能器9；2个小游标7以载物台5为中心对称设于读数盘6的上表面边缘，读数盘6的前端连接滑槽4，滑槽4上设有接收换能器3；超声信号源1的S1输出端口连接发射换能器9，超声信号源1的S2接收端口连接接收换能器3，超声信号源1的Y2输出端口连接双踪示波器2的CH2(Y)接收端口。
所述的读数盘6呈圆形，包括外圈和内圈，外圈设有刻度，内圈可相对外圈绕圆心转动；2个小游标7围绕圆心对称设于内圈的边缘，小游标7上设有刻度，与外圈上的刻度相对应，可由此读出相应的角度读数；读数盘6的底部设有3个支撑脚，保持仪器装置主体的稳定。
所述的滑槽4通过下端的延长杆连接读数盘6的外圈，可与外圈同步围绕读数盘6的圆心左右转动一定角度；滑槽4的上表面与接收换能器3的底部形状相吻合，接收换能器3可沿滑槽4前后移动。
所述的双缝装置8朝向载物台5的表面设有2条竖直的窄缝，缝宽为a，2条窄缝边缘间距为b。
所述的超声信号源1采用SVX综合声速信号源，双踪示波器2采用GOS-620双踪示波器。
其测量方法，包括如下步骤：
1）打开超声信号源1，超声信号源1经S1输出端口通过发射换能器9将超声波输出至双缝装置8，超声波经过双缝装置8传播至滑槽4上的接收换能器3，接收换能器3将接收到的超声波转换并传输至超声信号源1的S2接收端口，超声信号源1再将接收到的超声波信息经Y2输出端口传输至双踪示波器2的CH2(Y)接收端口，双踪示波器2显示出相应的波形；
2）调节超声波的输出频率f，直至双踪示波器2显示出振幅最大和稳定的正弦波形，此时的频率f即是接收换能器3的谐振频率；滑动改变接收换能器3的位置，重复测量5次，取平均频率，再次调节超声波的输出频率f与相等；
3）左右转动接收换能器3，通过双踪示波器2观察正弦波形振幅的变化；如图2所示，双缝装置8表面的2条窄缝的缝宽为a，2条窄缝边缘间距为b，双缝间距d = a + b，声波偏移角度为θ；对于不同的θ角，产生干涉极小的条件为波程差等于半波长的奇数倍，则干涉强度出现极小的条件为式（1）：
（1）
式中k= 1, 2,…, n，λ为波长；
4）当接收换能器3向左转动到第一极值，即正弦波形振幅第一次到达最小值时，分别记下读数盘上两个小游标7对应的读数，左边小游标读数为θ 1，右边小游标读数为θ 2；当接收换能器3向右转动到第一极值，即正弦波形振幅第一次到达最小值时，分别记下读数盘上两个小游标对应的读数，左边小游标读数为θ 1'，右边小游标读数为θ 2'；则干涉极小对应的角度为：
（2）
重复测量5次，取其平均值；
由波速=波长×频率，即ν= λf，结合式（1）、（2）得到：
（3）
由式（3）计算出频率为f的超声波的声速ν。
本发明利用双缝干涉原理测量声速，并利用双游标读数原理测量干涉强度相长和相消对应的角度，同时可通过示波器观察双缝干涉强度相长和相消现象，在测量和教学上具有很大的应用价值。
实施例
下面根据实施例进一步说明本发明的技术方案。
一种超声双缝干涉声速测量仪器，其结构包括超声信号源1，双踪示波器2，接收换能器3，滑槽4，载物台5，读数盘6，小游标7，双缝装置8，发射换能器9；其中载物台5设于读数盘6上表面中心处，载物台5的后端固定双缝装置8，双缝装置8连接发射换能器9；2个小游标7以载物台5为中心对称设于读数盘6的上表面边缘，读数盘6的前端连接滑槽4，滑槽4上设有接收换能器3；超声信号源1的S1输出端口连接发射换能器9，超声信号源1的S2接收端口连接接收换能器3，超声信号源1的Y2输出端口连接双踪示波器2的CH2(Y)接收端口。
所述的读数盘6呈圆形，包括外圈和内圈，外圈设有刻度，内圈可相对外圈绕圆心转动；2个小游标7围绕圆心对称设于内圈的边缘，小游标7上设有刻度，与外圈上的刻度相对应，可由此读出相应的角度读数；读数盘6的底部设有3个支撑脚，保持仪器装置主体的稳定。
所述的滑槽4通过下端的延长杆连接读数盘6的外圈，可与外圈同步围绕读数盘6的圆心左右转动一定角度；滑槽4的上表面与接收换能器3的底部形状相吻合，接收换能器3可沿滑槽4前后移动。
所述的双缝装置8朝向载物台5的表面设有2条竖直的窄缝，缝宽a = 4.00mm，2条窄缝边缘间距为b = 20.00mm，双缝间距d = a + b = 24.00mm。
所述的超声信号源1采用SVX综合声速信号源，双踪示波器2采用GOS-620双踪示波器。
其测量步骤及结果如下：
1）打开超声信号源1，超声信号源1通过发射换能器9将超声波输出至双缝装置8，超声波经过双缝装置8传播至滑槽4上的接收换能器3，接收换能器3将接收到的超声波转换并传输至超声信号源1，超声信号源1再将接收到的超声波信息传输至双踪示波器2显示出相应的波形；
2）调节超声波的输出频率f，直至双踪示波器2显示出振幅最大和稳定的正弦波形，此时的频率f即是接收换能器3的谐振频率；滑动改变接收换能器3的位置，重复测量5次，取平均频率，再次调节超声信号源1的频率调节旋钮，使输出频率f与接收换能器3的谐振频率平均值相等；
测量结果如下表1所示：
表1 谐振频率测量结果
3）左右转动接收换能器3，通过双踪示波器2观察正弦波形振幅的变化；双缝装置8表面的2条窄缝的缝宽为a，2条窄缝边缘间距为b，双缝间距d = a + b，声波偏移角度为θ；对于不同的θ角，产生干涉极小的条件为波程差等于半波长的奇数倍，则干涉强度出现极小的条件为式（1）：
（1）
式中k= 1, 2,…, n，λ为波长；
4）当接收换能器3向左转动到第一极值，即正弦波形振幅第一次到达最小值时，分别记下读数盘上两个小游标7对应的读数，左边小游标读数为θ 1，右边小游标读数为θ 2；当接收换能器3向右转动到第一极值，即正弦波形振幅第一次到达最小值时，分别记下读数盘上两个小游标对应的读数，左边小游标读数为θ 1'，右边小游标读数为θ 2'；则干涉极小对应的角度为：
（2）
重复测量5次，取其平均值，测量结果如下表2所示：
表2 干涉极小角度测量结果
由波速=波长×频率，即ν= λf，结合式（1）、（2）得到：
（3）
由式（3）计算出频率为f的超声波的声速ν=338.775m/s。
查表得温度15℃声速理论值为ν 理论 = 340.111 m/s，则相对偏差为：
，相对偏差非常小，可认为测量得出的声速准确。
Claims (5)
1.一种超声双缝干涉声速测量仪器，其特征是包括超声信号源（1），双踪示波器（2），接收换能器（3），滑槽（4），载物台（5），读数盘（6），小游标（7），双缝装置（8），发射换能器（9）；其中载物台（5）设于读数盘（6）上表面中心处，载物台（5）的后端固定双缝装置（8），双缝装置（8）连接发射换能器（9）；2个小游标（7）以载物台（5）为中心对称设于读数盘（6）的上表面边缘，读数盘（6）的前端连接滑槽（4），滑槽（4）上设有接收换能器（3）；超声信号源（1）的S1输出端口连接发射换能器（9），超声信号源（1）的S2接收端口连接接收换能器（3），超声信号源（1）的Y2输出端口连接双踪示波器（2）的CH2(Y)接收端口。
2.根据权利要求1所述的超声双缝干涉声速测量仪器，其特征是所述的读数盘（6）呈圆形，包括外圈和内圈；其中外圈设有刻度，内圈相对外圈绕圆心转动；2个小游标（7）围绕圆心对称设于内圈的边缘，小游标（7）上设有刻度；读数盘（6）的底部设有3个支撑脚。
3.根据权利要求1所述的超声双缝干涉声速测量仪器，其特征是所述的滑槽（4）通过下端的延长杆连接读数盘（6）的外圈，与外圈同步围绕读数盘（6）的圆心左右转动；滑槽（4）的上表面与接收换能器（3）的底部形状相吻合，接收换能器（3）沿滑槽（4）前后移动。
4.根据权利要求1所述的超声双缝干涉声速测量仪器，其特征是所述的双缝装置（8）朝向载物台（5）的表面设有2条竖直的窄缝。
5.利用如权利要求1所述的超声双缝干涉声速测量仪器的超声波声速测量方法，其特征是包括如下步骤：
1）打开超声信号源（1），超声信号源（1）经S1输出端口通过发射换能器（9）将超声波输出至双缝装置（8），超声波经过双缝装置（8）传播至滑槽（4）上的接收换能器（3），接收换能器（3）将接收到的超声波转换并传输至超声信号源（1）的S2接收端口，超声信号源（1）再将接收到的超声波信息经Y2输出端口传输至双踪示波器（2）的CH2(Y)接收端口，双踪示波器（2）显示出相应的波形；
2）调节超声波的输出频率f，直至双踪示波器（2）显示出振幅最大和稳定的正弦波形，此时的频率f即是接收换能器（3）的谐振频率；滑动改变接收换能器（3）的位置，重复测量5次，取平均频率，再次调节超声波的输出频率f与相等；
3）左右转动接收换能器（3），通过双踪示波器（2）观察正弦波形振幅的变化观察干涉相长和干涉相消现象；双缝装置（8）表面的2条窄缝的缝宽为a，2条窄缝边缘间距为b，双缝间距d = a + b，声波偏移角度为θ；对于不同的θ角，产生干涉极小的条件为波程差等于半波长的奇数倍，则干涉强度出现极小的条件为式（1）：
（1）
式中k= 1, 2,…, n，λ为波长；
4）当接收换能器（3）向左转动到第一极值，即正弦波形振幅第一次到达最小值时，分别记下读数盘上两个小游标（7）对应的读数，左边小游标读数为θ 1，右边小游标读数为θ 2；当接收换能器（3）向右转动到第一极值，即正弦波形振幅第一次到达最小值时，分别记下读数盘上两个小游标对应的读数，左边小游标读数为θ 1'，右边小游标读数为θ 2'；则干涉极小对应的角度为：
（2）
重复测量5次，取其平均值；
由波速=波长×频率，即ν= λf，结合式（1）、（2）得到：
（3）
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| CN201810058863.2A CN108180974A (zh) | 2018-01-22 | 2018-01-22 | 一种超声双缝干涉声速测量仪器及其测量方法 |
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2018
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