一种超声波干涉现象演示与声速测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声波干涉现象演示与声速测量装置，包括：平台、线性平移台、移动发射换能器组件、固定发射换能器组件、接收换能器组件、信号发生器、信号放大器、双踪示波器。三个换能器组件均包括换能器、安装座和立杆，立杆固接于安装座的下部，安装座设有狭缝，换能器正对狭缝放置。信号发生器激励移动发射换能器组件和固定发射换能器组件中的换能器产生超声波，通过狭缝发出，形成两个独立的超声波发射源。所发的两列波传播到接收换能器组件的狭缝处时将产生叠加。本装置结构简单，操作方便，能非常直观地演示超声波干涉现象，精确地测量其波长和声速，同时也可用于演示观察拍频现象。

A demonstration of ultrasonic interference phenomenon and sound velocity measuring device

【技术实现步骤摘要】
一种超声波干涉现象演示与声速测量装置
本专利技术涉及一种大学物理教学实验仪器，具体指利用超声波干涉方法测量波长及波速的装置，属于物理实验测量

技术介绍
声波的传播与介质的特性和状态密切相关，通过测量介质中的声速可以探测出介质的物理特性及状态的改变。声速的测量是大学物理实验教学中一个重要内容。目前，测量声速的方法主要有：驻波法(共振干涉法)，相位比较法，多普勒效应法和时差法；而其中以驻波法和相位比较法最为典型，这两种方法的核心都是先测量声波的波长，之后计算出声速。驻波法是在声波发生器和接收器之间产生驻波，通过测量驻波两个相邻波节之间的距离确定半波长。其中的关键点是对驻波形成条件，即波节位置的判断。判断方法是通过示波器观察接收波的强度，当其达到最大时，换能器位置处即为波节。但是在波强的最大值附近，示波器上信号幅度变化不明显，据此确定波节位置时很容易造成人员误差。相位比较法是改变声波发生器和接收器之间的距离，进而改变接收波和发射波之间的相位差。可以通过在示波器上观察发射波与接收信号垂直振动合成的李萨如图形来确定相位差，然后根据李萨如图形的周期变化来确定波长；由于示波器荧光屏上扫描显示线有一定宽度，导致很难精确地区分直线段和极扁的椭圆，所以在根据李萨如图形判断两个振动的相位是否相同(或向反)时也很容易出现较大的人员误差。
技术实现思路
为了克服上述两种测量波长方法的不足，本专利技术提供一种超声波干涉现象演示与声速测量装置。该装置利用完全相消相干条件来确定波长，可以显著减小波长测量时的人员误差，同时也可以演示拍频现象。本专利技术采取的技术方案如下：一种超声波干涉现象演示与声速测量装置，包括：平台、线性平移台、移动发射换能器组件、固定发射换能器组件、接收换能器组件、信号发生器、信号放大器、双踪示波器；其中，移动发射换能器组件、固定发射换能器组件、接收换能器组件均包括：安装座、立杆和换能器；换能器置于安装座内，立杆固接于安装座的下部，安装座的端部设置有前盖，前盖设有竖直的狭缝，换能器朝向狭缝安装；所述移动发射换能器组件和固定发射换能器组件的换能器用于发射超声波，所述接收换能器组件的换能器用于接收超声波；移动发射换能器组件的立杆安装在线性平移台的滑块上，固定发射换能器组件和接收换能器组件的立杆固接在平台上，所述移动发射换能器组件的狭缝朝向所述接收换能器组件的狭缝，且两狭缝中心同高。线性平移台可以在市面上购买或者在厂家订做，具体结构包括：框架、丝杆、滑块、测微鼓轮，框架上有刻度标尺；线性平移台的框架固定于平台上，丝杆转动连接于框架，丝杆端部连接测微鼓轮，滑块通过螺纹转动连接于丝杆，转动测微鼓轮，丝杆转动，再进一步转化为其上滑块的线性移动，从而带动与滑块相连的移动发射换能器组件沿着移动发射换能器组件狭缝与固定发射换能器组件狭缝的两中心连线方向移动，移动的距离可以从刻度标尺及鼓轮上读出。信号发生器的一个输出端CHA同时连接移动发射换能器组件的换能器输入端和双踪示波器的输入端CH2，信号发生器的另一个输出端CHB连接固定发射换能器组件的换能器输入端；信号放大器的输入端连接接收换能器组件的换能器输出端，信号放大器的输出端连接双踪示波器的输入端CH1。测量原理如图5所示，其中L为移动发射换能器组件狭缝和接收换能器组件狭缝中心之间的距离；D为固定发射换能器组件狭缝和接收换能器组件狭缝中心之间的距离。超声波由信号发生器激励移动发射换能器组件和固定发射换能器组件的换能器产生，通过狭缝发出。狭缝可以看作是超声波的发射源。移动发射换能器组件安装在线性平移台的滑块上，可以随其平行移动，其超声波发射源称为移动波源；固定发射换能器组件固定在平台上不动，其超声波发射源称为固定波源；两个超声波发射源相互紧邻，它们与接收换能器组件的换能器距离较远。一般的，固定波源和移动波源发出频率相同的正弦超声波，其波长记为λ。当它们传播到接收换能器组件前时，在其狭缝位置处两列波可以相干叠加。假定从固定波源和移动波源发出的超声波的相位分别为则显然它们发出的超声波到达接收换能器组件狭缝时的相位差：则它们相干叠加后振幅为：其中AD,AL分别为固定波源和移动波源发出的波在到达接收换能器组件狭缝处时的振幅。显然，当时，A＝AD+AL，出现干涉极大；当时，A＝|AD-AL|，出现干涉极小，其中k为整数。当距离L改变一个或数个波长时，干涉出现极大或极小的情况不变。若两个波源的频率不同，分别记作f1,f2，但频率差值很小，即|f2-f1|＜＜f1,f2，则可以在双踪示波器上观察到这两列波叠加时产生的拍频现象，其频率为：Δf＝|f1-f2|。本装置可以实现以下三个方面的实验目的：(一)、演示观察相同频率的波叠加时的干涉现象：(a)平移移动波源，即改变移动发射换能器组件和接收换能器组件的两狭缝中心的距离L，可看到干涉强度的改变。(b)保持移动波源不动，调节信号发生器的CHB输出和CHA输出之间的相位差，即改变也可以观察到干涉强度的改变。(二)、测量超声波的波长和声速：让移动波源跟随线性平移台在移动发射换能器组件的狭缝中心和接收换能器组件的狭缝中心的连线方向上连续缓慢移动，可以在双踪示波器上看到信号强度忽高忽低的变化。当每次出现干涉极大(或极小)时，即双踪示波器上信号达到最大(或最小)的一刻，记下线性平移台的刻度标尺及测微鼓轮的读数，二者相加记为Li，则此声波的波长为：λ＝|Li+1-Li|.再利用v＝λf，即可计算出声速v。在利用相邻两个干涉极大位置确定波长时，会遇到和驻波法类似的问题，即在干涉极大附近，双踪示波器上信号幅度变化不明显，据此确定相长相干时移动波源的位置容易造成人员误差。而利用相邻两个干涉极小位置来确定波长时，就可以避免这个问题。此时，通过调节双踪示波器垂直衰减灵敏度的档位，放大双踪示波器上信号的波形，可以比较容易地确定出干涉极小时移动波源的位置。相消相干的信号越弱，该位置确定起来就越准确，所以测量时要尽可能地使两列波接近完全相消相干，这就要求固定波源和移动波源发出的波在到达接收换能器组件的狭缝处时的振幅AD和AL尽可能相等。这一点可以通过调节信号发生器的一个通道CHB或CHA的输出信号幅值，进而改变超声波波源的相对强度来实现。(三)、演示观察两列波叠加时的拍频现象：保持移动发射换能器组件不动，微调信号发生器的CHA或CHB输出频率，使其不再相等，但频率差要足够小(以便裸眼观察)，这时可以很直观地在双踪示波器上看到信号波形忽高忽低的变化。此变化即为拍频，其频率等于两个通道信号的频率之差。以上是应用本装置进行实验能够更精确地测量波长及波速的原理分析。为了使装置本身更优化，还可以对技术方案采取以下各项改进：为了数据测量时调节更方便更准确，应使移动发射换能器组件与接收换能器组件的间距至少五倍于移动发射换能器组件与固定发射换能器组件的间距，此时需要将固定发射换能器组件固接于紧邻移动发射换能器组件一侧的平台上，而将接收换能器组件固接于远离移动发射换能器组件一侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波干涉现象演示与声速测量装置，其特征在于，包括：平台、线性平移台、移动发射换能器组件、固定发射换能器组件、接收换能器组件、信号发生器、信号放大器、双踪示波器；/n所述移动发射换能器组件、固定发射换能器组件、接收换能器组件均包括：安装座、立杆和换能器；换能器置于安装座内，立杆固接于安装座的下部，安装座的端部设置有前盖，前盖设有竖直的狭缝，换能器朝向狭缝；所述移动发射换能器组件和固定发射换能器组件的换能器用于发射超声波，所述接收换能器组件的换能器用于接收超声波；移动发射换能器组件的立杆安装在所述线性平移台的滑块上，固定发射换能器组件和接收换能器组件的立杆固定在平台上，所述移动发射换能器组件的狭缝朝向所述接收换能器组件的狭缝，且两狭缝中心同高；/n所述线性平移台安装在平台上，转动所述线性平移台的测微鼓轮，所述移动发射换能器组件沿移动发射换能器组件狭缝与固定发射换能器组件狭缝的两中心连线方向移动；/n所述信号发生器的一个输出端CHA同时连接所述移动发射换能器组件的换能器的输入端和所述双踪示波器的输入端CH2，所述信号发生器的另一个输出端CHB连接所述固定发射换能器组件的换能器的输入端；所述信号放大器的输入端连接所述接收换能器组件的换能器的输出端，所述信号放大器的输出端连接所述双踪示波器的输入端CH1。/n...

【技术特征摘要】
1.一种超声波干涉现象演示与声速测量装置，其特征在于，包括：平台、线性平移台、移动发射换能器组件、固定发射换能器组件、接收换能器组件、信号发生器、信号放大器、双踪示波器；
所述移动发射换能器组件、固定发射换能器组件、接收换能器组件均包括：安装座、立杆和换能器；换能器置于安装座内，立杆固接于安装座的下部，安装座的端部设置有前盖，前盖设有竖直的狭缝，换能器朝向狭缝；所述移动发射换能器组件和固定发射换能器组件的换能器用于发射超声波，所述接收换能器组件的换能器用于接收超声波；移动发射换能器组件的立杆安装在所述线性平移台的滑块上，固定发射换能器组件和接收换能器组件的立杆固定在平台上，所述移动发射换能器组件的狭缝朝向所述接收换能器组件的狭缝，且两狭缝中心同高；
所述线性平移台安装在平台上，转动所述线性平移台的测微鼓轮，所述移动发射换能器组件沿移动发射换能器组件狭缝与固定发射换能器组件狭缝的两中心连线方向移动；
所述信号发生器的一个输出端CHA同时连接所述移动发射换能器组件的换能器的输入端和所述双踪示波器的输入端CH2，所述信号发生器的另一个输出端CHB连接所述固定发射换能器组件的换能器的输入端；所述信号放大器的输入端连接所述接收换能器组件的换能器的输出端，所述信号放大器的输出端连接所述双踪示波器的输入端CH1。


2.根据权利要求1所述的一种超声波干涉现象演示与声速测量装置，其特征在于：移动发射换能器组件与接收换能器组件之间的距离为移动发射换能器组件与固定发射换能器组件之间的距离的五倍以上。


3.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种超声波干涉现象演示与声速测量装置，其特征在于：所述移动发射换能器组件...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫志涛，许德飞，谭覃，敬天慧，
申请(专利权)人：防灾科技学院，
类型：发明
国别省市：北京;11