课件下载-声速的测量

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1、实验一声速的测量声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，由于其振动方向与传播方向一致，故声波是纵波．振动频率在20Hz～20kHz的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超过20KHz的声波称为超声波．对于声波特性的测量（如频率、波速、波长、声压衰减和相位等）是声学应用技术中的一个重要内容，特别是声波波速（简称声速）的测量，在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的意义．【实验目的】1．学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速；2．学会用逐差法进行数据处理；3．了解声速与介质参数的关系．

2、【实验原理】由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点．在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确地测出声速．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，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的．本实验采用的是压电陶瓷制成的换能器（探头），这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。声波的传播速度与其频率和波长的关系为v=l×f（1）由（1）式可知，测得声波的频率和波长，就可得到声速．同样，传播速度亦可用v=L/t（2）表示，若测

3、得声波传播所经过的距离L和传播时间t，也可获得声速．1．共振干涉法实验装置如图1所示，图中S1和S2为压电晶体换能器，S1作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出一近似的平面声波；S2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射．当S1和S2的表面互相平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即lL=n,n=0，1，2，……（3）221时，来回声波的波峰与波峰、波谷与波谷正好重叠，形成驻波．因为接收器S2

4、的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹．本实验测量的是声压，所以当形成驻波时，接收器的输出会出现明显增大．从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值（参见图2）．图1实验装置图)vm(Vλ/2λ/2λ/2λ/2L(cm)图2接受器表面声压随距离的变化图中各极大值之间的距离均为l/2，由于散射和其他损耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减小．我们只要测出各极大值对应的接收器S2的位置，就可测出波长．由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式（1）求得声速．2．相位比较法波是振动状态

5、的传播，也可以说是位相的传播．沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍．利用这个原理，可以精确地测量波长．实验装置如图1所示，沿波的传播方向移动接收器S2总可以找到一点，使接收到的信号与发射器的位相相同；继续移动接收器S2，接收到的信号再次与发射器的位相相同时，移过的距离等于声波的波长．同样也可以利用李萨如图形判来断相位差．实验中输入示波器的是来自同一信号源的22信号，它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信号间的位相差有关，当两个信号间的位相差为0或π时，

6、椭圆变成倾斜的直线．3．时差法用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器．由信号源提供一个脉冲信号经S1发出一个脉冲波，经过一段距离的传播后，该脉冲信号被S2接受，再将该信号返回信号源，经信号源内部线路分析、比较处理后输出脉冲信号在S1、S2之间的传播时间t，传播距离L可以从游标卡尺上读出，采用公式（2）即可计算出声速．4．逐差法处理数据对上述数据的处理，按理可采用两相邻极大值所对应的位置相减得到l/2，但这样则在计算平均值时有l=[(L-L)+(L-L)+××××××(L-L)]/n=[]L-L

7、/n（4）1021nn-1n02实际上只有L20和L0两个数据起作用，这两个数据如有误差，将严重影响结果的准确性，而其他的数据没有利用，失去了在大量数据中求平均以减小误差的作用．由误差理论可知，多次测量的算术平均值为最近真值．为避免上述情况，一般在连续测量等间隔数据时，常把数据分成两组，逐次求差再算平均值，这样得到的结果就保持了多次测量的优点．但应注意，只有在连续测量的自变量为等间隔变化，相应两个因变量之差均匀的情况下，才可用逐差法处理数据．在本实验中，若用游标卡尺测出2n个极大值的位置，并依次

8、算出每经过n个l/2的距离为nléùn=êå()L()n+i-Liú/n（5）2ëi=1û这样就很容易计算出l．若测不到20个极大值，则可少测几个（一定是偶数），用类似方法计算即可．【实验内容】1．共振干涉法测量空气中的声速（1）熟悉信号源面板上的各项功能以及示波器的使用方法．按图1接好线路，并将两换能器S1、S2之间的距离调至1cm左右．（2）打开信号源与示波器的电源，将信号源面板上的“测试方法”确定为连续波；“传播介质”确定为空气．然后调节“发射强度”（从示波器上观察电压峰-峰值为10V），