实验五声速的测量

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1、实验五声速的测量实验内容测量超声波在空气中的传播速度。教学要求1.学习测量超声波在空气中的传播速度的方法。2.加深对驻波和振动合成等理论知识的理解。3.了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。实验器材声速测量仪，示波器，信号发生器声波是一种在弹性媒质中传遍的机械波，振动频率在20-20000Hz的声波称为可闻声波，频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20000Hz的声波称为超声波。声波的波长、频率、强度、传播速度等是声波的特性。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、探伤、测距中有着广泛的应用。测量声速最

2、简单的方法之一是利用声速与振动频率f和波长λ之间的关系（即）来进行的。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意义。实验原理声速v、声源振动频率f和波长λ之间的关系为：v=fλ（5-1）可见，只要测得声波的频率f和波长λ，就可求得声速v。其中声波频

3、率f可通过频率计测得。本实验的主要任务是测量声波波长λ，常用的方法有驻波法和相位法。一、相位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，如果其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，即(n为一正整数)（5-2）利用这个公式可精确测量波长。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，其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置使得接受到的信号与发射器的激励电信号同相。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

4、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同相，总是有一定的相位差。为了判断相位差并测量波长，可以利用双线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寻找同相点来测量波长；也可以利用李萨如图形寻找同相或反相时椭圆退化成直线的点。二、驻波法按照波动理论，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，声波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。当接收端面与发射头间的距离恰

5、好等于半波长的整数倍时，叠加后的波就形成驻波。此时相邻两波节（或波腹）间的距离等于半个波长（即λ/2）。当发生器的激励频率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。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λ/2。操作步骤1．用驻波法测声速（1）按图5-1连接电路，使S1

6、和S2靠近并留有适当的空隙，使两端面平行且与游标尺正交。图5-1驻波法测声速实验装置图（2）根据实验室给出的压电陶瓷换能片的振动频率f，将信号发生器的输出频率调至f附近，缓慢移动S2，当在示波器上看到正弦波首次出现振幅较大处，固定S2，再仔细微调信号发生器的输出频率，使荧光屏上图形振幅达到最大，读出共振频率f。（3）在共振条件下，将S2移近S1，再缓慢移开S2，当示波器上出现振幅最大时，记下S2的位置L0。（4）由近及远移动S2，逐次记下各振幅最大时S2的位置为L1、L2、…L11，共测12个以上。（5）用逐差法算出声波波长的平均值。2

7、．用相位法测声速图5-2相位法测声速实验装置图(1)按图5-2连接电路。(2)将示波器“秒/格”旋钮旋至X-Y档，信号发生器接示波器CH2通道，用李萨如图形观察发射波与接收波的位相差（示波器的使用请参见实验十四的附录）。(3)在共振条件下，使S2靠近S1，然后慢慢移开S2，当示波器上出现45°倾斜线时，微调游标卡尺的微调螺丝，使图形稳定，记下S2的位置。(4)继续缓慢移开S2，依次记下示波器上出现直线时游标卡尺的读数L1’、L2‘…L11’，共测12个以上。(5)用逐差法算出声波波长的平均值。注意事项1.实验前应了解压电换能器的谐振频率

8、。2.实验过程中要保持激振电压不变。问题讨论1.用逐差法处理数据的优点是什么？2.如何调节与判断测量系统是否处于共振状态？3.分析压电换能器的工作原理。4.为什么在共振状态下测定声速？附录一、测声速的另一种