实验时，改变发射端与接收端之间的距离，观察相位的变化，即可确定半波长?/2。显然每改变半个波长，相位差就变化?。
相位差的变化可通过示波器来观察。随着两振动的相位差从0→?的变化，图形从斜率为正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。选择判断比较灵敏的李萨如图形为直线的位置为测量的起点，每移动半个波长就会重复出现斜率符号相反的直线。总之，当发射端与接收端之间的距离符合（9）式时，在示波器上就会出现一条通过原点的直线，该直线视n为奇数或者是偶数而分别位于二、四象限或者一、三象限。实验如果以位于一、三象限的直线作为标记开始，则在二、四象限出现直线时，振动传播的距离即为?/2。
4. 时差法测量声速
以脉冲调制正弦信号输入到发射端，使其发出脉冲声波，经过时间t后到达距离L处的接收端。接收端接收到脉冲信号后能量逐渐积累，振幅逐渐加大，脉冲信号过后，接收端的信号作衰减振荡，如图2所示。t可从示波器上读出。实验者测出L后，即可由v?L/t算出声速。
实验内容与步骤
1. 超声实验装置、声速测定仪信号源及双踪示波器之间的连接如下： 信号源面板上的超声发射端口接至测试架左侧的发射换能器；信号源面板上的超声接收端口接到测试架右侧的接收换能器上。信号源面板上的发射监测端口接至双踪示波器的CH1（Y1通道），用于观察发射波形；信号源面板上的接收监测端口接至双踪示波器的CH2（Y2通道）或者X通道（相位法的接法），用于观察接收波形。 2. 测定压电陶瓷换能器的最佳工作点
只有当发射面与接收面保持平行时才能有较好的接收效果。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发射换能器谐振频率时，才能较好的进行声能和电能的相互转换，以得到较好的实验效果。按照换能器谐振频率估计示波器的扫描时基t/div，并进行调节，使在示波器上获得稳定的波形。
超声换能器工作状态的调节方法如下：仪器预热15分钟并正常工作后，首先调节声速测试仪信号源输出电压（10～15V之间），调整信号频率（在30～45kHz），观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5kHz～37.5kHz之间）电压幅度最大，此频率即是压电换能器发射端、接收端相匹配的频率点，记录频率f，改变发射端与接收端的距离，适当选择位置，重复调节，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率f。
3. 用干涉法（驻波法）测量空气中的声速
- 3 -
按前面的要求完成系统的连接与调试，并保持在实验过程中不改变调谐频率。信号源选择连续波（Sine－Wave）模式，通过上述实验步骤以后，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，记录幅度为最大时的距离L，距离在机械刻度上读出，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。直到记录10个数据为止。用逐差法计算平均波长，计算平均频率，求出声速，并计算声速的不确定度。 4. 用相位比较法测量空气中的声速 按前面1.、2.的要求完成系统的连接与调谐，并保持在实验过程中不改变调谐频率。信号源选择连续波（Sine－Wave）模式，将示波器设定X—Y工作状态。将信号源的发射监测输出信号接到示波器的X输入端，接收监测输出信号接到示波器的Y输入端，调节示波器，使屏幕上显示出椭圆或斜直线的李萨如图形。转动距离调节鼓轮，示波器显示斜直线，记录此时的距离L。继续转动鼓轮，观察示波器，逐一记录直线斜率符号改变时的距离。共记录10个数据，求出波长。最后求出声速的实验值及不确定度。 5. 用时差法测量空气中的声速 按前面1.、2.的要求完成系统的连接与调谐，并保持在实验过程中不改变调谐频率。 信号源选择脉冲波的工作方式，记录发射端与接收端之间的距离L并从示波器上记录时差。摇动鼓轮使发射端与接收端之间的距离每变化20mm记录一下距离L与时差读数，共记录10个的读数。最后求出声速的实验值及不确定度。
实验数据记录及处理
1. 干涉法数据记录及处理 表1 测量次数 距离L1（mm） 测量序数 距离L2 (mm) 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 L?L2?L1(mm) ??2L 5 f 由求声速公式推导出声速测量不确定度的公式：
u(v)u(?)2u(f)2u(L)u(f)2?[]?[]?[]?[] v?fLf
实验结果表达式： v?v?u(v) 2. 相位比较法的数据记录及处理
表格、数据处理与干涉法测量声速的表格、数据处理公式相同。 3. 时差法的数据记录及处理
- 4 -
表2
测量序数 L1(mm) t1(μs) 测量序数 L2(mm) t2(μs) 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 L?L2?L1(mm) t?t2?t1(μs) v?L(mm/s) t 由求声速公式推导出声速测量不确定度的公式：
实验结果表达式同前面2。
u(v)u(L)2u(t)2?[]?[] vLt注意事项
1. 在没有掌握仪器的使用方法之前，切勿乱调各种旋钮，以免损坏仪器；
2. 注意信号源不要短路，以防烧坏仪器； 3. 调节各仪器的旋钮时不能用力过猛。
思考题：
1. 为什么在实验过程中改变L时，压电陶瓷换能器的发射面与接收面保持相互平行？不平行会产生什么问题？
2. 用相位比较法测波长时，为什么要在示波器上出现直线图形时记录数据？
实验二 固定均匀弦振动实验
在自然界中，振动现象是广泛存在的。广义地说，任何一个物理量在某个定值附近作往复变化都可称为振动。振动是产生波动的根源，波动是振动的传播。波动有自己的特征，首先它具有一定的传播速度，且伴随着能量的传播；另外，波动还具有反射、折射、干涉和衍射现象。本实验研究波的特征之一，干涉现象
- 5 -
的特例——驻波。固定均匀弦振动的传播，实际上是两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播的叠加，在一定条件下便可形成驻波。
一、实验目的
１．了解固定均匀弦振动传播的规律； ２．观察固定弦振动传播时形成驻波的波形； ３．测定均匀弦线上的横波传播速度。
二、实验仪器
固定均匀弦振动实验装置，钩码。
实验装置如图1所示。实验时，将①、⑥香蕉插头上的导线与弦线连接，构成通电回路，然后接通电源。这样，通有电流的金属弦线在磁场的作用下就会振动。根据需要，可以旋转旋钮２以变换变频器输出的电流频率。移动磁钢5，使弦振动调整到最佳状态（使弦振动的振动面与磁场方向完全垂直）。移动劈尖Ａ、Ｂ的位置可以改变弦长。
①、⑥香蕉插头座（接弦线）②频率显示 ③电源开关 ④频率调节旋钮 ⑤磁钢 ⑦钩码 ⑧米尺 ⑨弦线 ⑩滑轮及托架 Ａ、Ｂ两劈尖（滑块）
图1固定均匀弦振动实验装置
三、实验原理
设一均匀弦线，一端由劈尖Ａ支住（见图1），另一端由劈尖Ｂ支住。对均匀弦线扰动，引起弦线上质点的振动，于是波动就由Ａ点沿弦线朝Ｂ点方向传播，称为入射波，再由Ｂ点反射沿弦线朝Ａ点传播，称为反射波。 一列持续的入射波与其反射波在同一弦线上沿相反方向传播时，将会相互干涉，移动劈尖Ｂ到适当位置。弦线上的波就形成驻波。这时，弦线上的波被分成了几段，且每段波两端的点始终静止不动，而中间的点振幅最大。这些始终静止的点称为波节，振幅最大的点称为波腹。
- 6 -