大学物理实验报告（清华大学）实验210声速测量实验预习报告

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1、清华大学实验报告系别：机械系班号：机械51班姓名：邹诚（同组姓名:作实验H期2006年11月13H教师评定：实验2/10声速测量一、实验目的（1）了解声波在空气中传播速度与其他状态参量的关系；（2）了解超声波产生和接受的原理，学习一种测量空气屮声速的方法，加深相位的概念。二、实验原理1•声波在空气中的传播速度在理想气体中声波的传播速度为式中丫为比热容比，即气体定压比热容预定容比热容的比值，M是气体的摩尔质量，卩是绝对温度，/?=8.31441丿/（mo/・K）为普适气体常数。由上式可见，声速和温度有关，又与摩尔

2、质虽M及比热容比丫有关，后两个因素与气体成分有关。因此，测定声速可以推算出气体的一些参量。利用上式的函数关系还可制成声速温度计。在正常情况下，干燥空气成分按重量比为氮：氧：氮：二氧化碳=78.084:20.946:0.934:0.033。它的平均摩尔质量为Ma=28.964x10%/mol。在标准状态下，干燥空气中的声速为Vo=331.5/77/5-在室温/下，干燥空气屮的声速为式中£=273・15K。由于空气实际上并不是干燥的，总含有一些水蒸气，经过对空气平均摩尔质量M“和比热容比丫的修正，在温度为f、相対湿

3、度为厂的空气中，声速为v=331.5f1+y1+0.3焊p)式中门•为室温湿空气的饱和蒸气压，可从饱和蒸气压和温度的关系表中查出；P为大气压，取p=l.O13xlO5P^即可；相对湿度厂可从干湿温度计上读出。有这些气体参量可以计算出声速，故上式可作为空气中声速的理论计算公式。2.测量声速的实验方法声波的传播速度v与声波频率f及波长2的关系为测出声波的频率和波长，就可以求岀声速。其中声波频率可通过测量声源的振动频率得出,剩下的任务就是测量声波波长，也就是本实验的主要任务。产生和接受长生波是用超声波传感器，其外形及

4、内部结构如图所示。它是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属外壳及金属网构成。其屮压电陶瓷镜片是传感器的核心，他是利用压电体的压电效应产生超声波。锥形辐射喇叭是发射和接受超声波的能量比较集中，使发射和接受超声波有一定的方向角。本实验中压电陶瓷镜片的振荡频率为40kHz,相应的超声波波长约为几毫米。又与它的波长短、定向发射性能好，波长可用相位法测出。波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，如果其振动状态相同（同相）或者说其相位差为2龙的整数倍，这是两点间的距离应等于波长的整数倍，

5、即/=nA（〃为一正整数）利用这个公式可精确地测量波长。当在发射器的声波场中沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置，使得接收器接收到的电信号与发射器的激励电信号同相。继续移动接收器，直到接受的信号再一次和发射器的激励电信号同相时，移过的这段距离必然等于声波的波长。为了判读相位差并且测定波长，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，同时沿传播方向移动接收器寻找同相点。也可以利用利萨如图形在两个电信号同相或反相时椭圆退化为右斜或左斜直线来判断，其优点是斜直线情况判断相位差最为敏锐。三、实验步骤（1

6、）连接电路，将两数信号发生器的输岀与超声波发射器的输入端5及示波器的通道1相连，将超声波接收器的输岀端8与示波器的通道2相连。函数信号发生器置于正弦波输出，其频率范围置于100kHz档，输出幅度调到峰值10V左右。接线时注意，红色为信号线，黑色为地线，不要接错。（2）用示波器观察加在声波发射器上的电信号与超声波接收器输出的电信号，先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右，然后细调频率，使接收器输出信号最大，并记录下此频率，即为超声波频率。实验过程中信号频率若有改变，记下最大最小值，最后取平均值。观察时，可设

7、法判断是否确实由超声波由发射器发岀经由空气传播到了接收器，并研究坏境因素对声波传播的影响。例如，可在二者之间插入纸片或在传播路径上煽风等等，同时观察示波器荧屏上接收信号的情况。（3）用相位法测波长。利用利萨如图找出同相点来求波长。为了提高精度，可采用逐差法处理数据。每遇到一个同相点，测一次接收器的位置X,连续测20个数据召、吃、皿兀2（）。由以上20个数据按逐差法将对应数据相减得（心-西），（西2-兀2），・•・，（x20-xI0）,求出这10个1（U的平均值，然后算出波长平均值无。这样比只测一个波长2的值要精

8、确的多。想想为什么？另外请思考在示波器屏幕上同吋显示发射信号与接收信号，而不用利萨如图，应如何判断同相位？（4）为了进行理论值于实验值的比较，在测量开始和结束时，要先后记录室温心和厶，以及相对湿度人和乙，并查处平均室温对应的饱和蒸气压。若温度不是整数值，则按线性插值法求出准确的饱和蒸气压值。然后按公式计算出声速理论值，与实验测得的声速值比较，从而估计本实验所用测量方法的准确程度。四、原