SW-1型声速测定仪的改进及声速测量方法的研究

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1、第29卷第6期韩山师范学院学报V_o1．29NO．62008年12月JournalofHanshanNormalUniversityDec．2008SW-1型声速测定仪的改进及声速测量方法的研究黄贤群(韩山师范学院物理与电子工程系．广东潮州521041)摘要：改进了SW-1型声速测定仪，研究了两换能器互成角度时的声速测量，说明声源发出的不是平面波，但在某一固定方向上可以看作是近似于平面波的声波．关键词：声速测量；换能器夹角；线性拟合；平面波中图分类号：0426．2文献标识码：A文章编号：1007_6883(2007)06-0049—041问题的提出声速的测

2、量方法有多种，实验室常用方法是利用声速与声波频率，及波长的关系=．，进行测量．在普通物理实验中，它是一个能够很好培养学生基本实验技能和综合能力的综合性实验．谐振频率．厂由频率计直接读出，关键是测出声波的波长．由于超声波波长短、容易测量、不司‘闻等优点，多数实验室选用超声声速测定仪，调节两换能器互相平行进行测量【l】．但在该实验教学实践中发现，声速测定仪两换能器瓦成某一角度时，接收换能器也能够接收到交变信号，是否能够利用这一交变信号测量声速呢?2，声速测定仪的改进为了实现两换能器的法向夹角能成任意角度，从而使接收换能器能在发射换能器的不同方位上测量声波，必须

3、在SW．1型声速测定仪的基础上进行简单的改进．SW—l型声速测定议的结构如图l所示，一换能器固定在边沿上，另一换能器固定在可移动底座上，但换能器的方向不能自由转动．据此，用铝合金制成如图2所示的延长臂A和换能器套圈B．将原声速测定仪的套圈固定螺丝卸下，装上延长臂，并用套圈固定螺丝套紧；延长臂A的另一端用螺丝跟B套紧后，在套圈B装电陶瓷换能器，并旋紧边沿上的三根螺丝．改进后的声速测定仪如图3所示．接收换能器与发射换能器的端面可以调节平行或者成任意角度．改装后的声速测定仪还可以测量声波在液体中的速度，在声速测定仪的前侧放置一液体槽，延伸臂可以很方便地伸入液体内

4、，测量超声波在液体中的传播速度如图4所示．收稿日期：2008—06—29作者简介：黄~(1979一)，男，J东潮州人，韩山师范学院物理与电子工程系助理实验师49螺丝B图lSW一1型声速测定仪图2延伸臂与固定套圈图3改进后的声速测定仪图4测量液体中声速装置3在发射换能器的不同方位上测量声波在空气中的传播速度大多数实验教程认为波源f发射换能器)发出的是近似于单方向的平面波，只有换能器两端⋯}-．__⋯⋯}．-_一，，：+_⋯面严格平行时才能够测量．当发射波在接收面上ab以180。入射且0。反射时，发射波与反射波相干涉图5换能器方位图形成驻波，反射面处为波节，可

5、以利用共振干涉法或相位比较法测波长【21．当两换能器端面互成角度时，由于发射波与反射波不能在接收器移动的方向上形成驻波，所以不能用共振干涉法测波长，是否町以通过比较发射波与接收波的相位来测量呢?现在，通过改进后的声速测定仪，转动发射器，使发射器与接收器互成角度，则两换能器泫向夹角也为，如图5所示，利用相位比较法㈦测得数据如表1所示，谐振频率f=39．780kHz，室温24．7℃．表1不同的所对应的接收面位置与半波数n的关系，的单位：lllll1)利用最小二乘法线性拟合，设两换能器之间的距离为和波长为，则两者满足下列关系式：L=Lo十n(n=0，l，2，3⋯

6、)，式中，0为当李萨如图变成直线时接收换能器的初始位置，为半波数，和礼由实验测得，将多次测量的数据代入上式，求出回归方程的斜率，即可直接求出波长．现以两换能器法向夹角0等于0：时为例，利用EXCEL处理数据如图6所示．Y：4．391l+13．4480=0．9999日昌、喇遥旧罄辎半坡藏图6接受面位置与半波数的关系由图6可知回归直线的斜率为4．391lmm，NU2=4．3911rnm，声速v=f·=2×4．3911lIlInX39780Hz=349．355m／s，若不考虑空气中水蒸汽的影响，则声速理论值计算公式为【41：—T。1／+—273—．15’式中0为

7、t=0℃时的声速，V0=331．45m／s，将t=24．7℃代入上式，川得声速的理论值~0346．112m／8，相对误差为0．9％．以同样的数据处理方法，可得下列表格．表2数据处理结果由表2可知当发射换能器转动的角度小于80一时，相关系数等于l，说明各实验点都很好的回归直线上，实验误差比较小．4结论(1)实验结果表明，两换能器的端面不平行．而是互成较小夹角时，接收换能器能够接收到声波信号，可通过这一信号利用相位比较法测量声波的传播速度．由于发射换能器的不同方位上存在声波51的传播，而声波在传播过程中，声压的衰减实际存在．声波的这些传播特性说明，声源发出的不

8、是平面波，但在某一固定方向可以看作是近似于平面波的声波．f2)SW