10讲义(声速测量)

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1、声速测量声学是物理学的重要分支，而声音的传播速度是声学中的一个重要物理量，它和声波的类型，媒质的性质、温度、压强等很多物理学量都有密切的关系，通过对声速的测量可以获取传播介质的特性及相关的状态信息，它在声波定位、探伤、测距、测液体流速、测材料弹性模量、测量气体温度随时间变化等方面具有重要意义。声速与介质的密度和弹性性质有关，因此也随介质的温度、压强等状态参量而改变。在有些情况下声速还与声波本身的振幅、频率、振动方式（纵波声速、横波声速等）有关。如果传播介质的尺寸不够大，则其边界对声速也有影响。因此为了使声速的量值确切地表征传声介质的声学特征，不受其几何形状的

2、影响，一般须规定传声介质的尺寸足够大（理论上为无限大）情况下的声波传播速度。有时为了实用上的方便，也列出某些特殊情况下的声速，如固体细棒中的声速。在标准大气压下空气中约等于340M/S，若考虑温度对声速的影响，理论上空气中声速。一、实验目的：1、学会用共振干涉法和相差法测声速；2、了解压电陶瓷换能器的结构和工作原理；3、学会用驻波管测声速；4、进一步熟悉示波器的使用。二、实验仪器：声速测定仪、信号发生器、示波器、驻波管和支架、扬声器。三、实验原理声速是描述波在媒质中传播特性的物理量，它与媒质的性质及状态有关，频率在20—20000赫兹范围内为可闻声，大于20

3、000赫兹为超声波，由于超声波具有波长短，定向性好，抗干扰强等特点，在传播的过程中入射波与反射波容易产生干涉并形成驻波，而可闻声只能在驻波管内产生干涉形成驻波。本实验是通过测量驻波波长和频率，由公式算出声速。压电陶瓷：压电陶瓷（如：钛酸钡、锆钡酸铅）具有正压电效应和逆压电效应，当它受到压力时，表面产生电荷，形成电场，为正压电效应。在外加电场的作用下可产生形变，为逆压电效应，当交流电压作用于压电陶瓷时，它将作周期性的形变即振动从而发出声波。利用压电陶瓷在外来振动的作用下产生变化电场的正压电效应可用来接收声波信号。1、超声波的驻波法测声速（共振干涉法）如图（一）

4、所示，超声波发射器与超声波接收器平行正对，超声波发射器发出超声波向右传播，遇到接收换能器后发生反射，此时发射器与接收器之间的5入射波与反射波叠加形成驻波，相邻波腹和波节间距离都为，当接收器移至波腹处接收信号最强，实验中通过移动接收器依次记下波腹位置，它满足：，测出相邻波腹间距和频率，信号发生器示波器游标卡尺发射换能器接收换能器图（一）用公式算出声速。信号发生器示波器游标卡尺发射换能器接收换能器图（二）2、超声波的相差法测声速（相位比较法）图（三）利萨如图形将发射信号与接收信号分别接示波器的与输入端，两个同频率振动方向相互垂直的正弦信号合成利萨如图，当水平移动

5、接收器时，两个信号的相位差随距离改变而改变，每改变一个波长的距离相位差改变，利萨如图形重复一次，变化一个周期，测出一个周期的距离变化量和频率，用公式算出声速。5四、实验内容和要求1、超声波驻波法测空气中声速（1）按图（一）连接线路，发射换能器接信号源，接收换能器接示波器。（2）将接收换能器紧贴固定的发射换能器，使两者正对平行，再右移接收换能器，使其与发射换能器保持一定的距离。（3）调节信号源的输出幅度和频率，缓慢移动接收换能器观察示波器上波形的变化，当正弦波幅度最大且稳定时，此时发射换能器工作在谐振状态，为38K左右，记下频率和实验室的温度。（4）连续移动接

6、收换能器，在表1中依次记下驻波波腹的位置。（5）用逐差法计算出波长的平均值和声速，对比理论值，计算相对误差。2、超声波相差法测量空气中声速（1）在上述接线的基础上将信号源的输出接示波器的另一输入端，置示波器为模式。（2）调节信号源的输出频率，使发射换能器工作在谐振状态，再分别调节示波器的两个输入幅度增益，使图像中的椭圆大小适中并稳定。（3）连续移动接收换能器，当图形为斜线时，两信号的相位差时，依次在表2中记下示波器上出现斜线时游标卡尺的位置读数。（4）用逐差法计算出波长的平均值，算出，，相对误差3、超声波相差法测量水中声速（1）信号源中“发射S1”接发射换能

7、器，接收换能器接示波器，信号源中“发射波形”接示波器，信号源中“传播介质”选为“液体”。（2）将接收换能器紧贴固定的发射换能器，使两者正对平行，再右移接收换能器，使其与发射换能器保持一定的距离。（3）调节信号源的输出幅度和频率，缓慢移动接收换能器观察示波器上波形的变化，当正弦波幅度最大且稳定时，此时发射换能器工作在谐振状态，为38K左右，记下频率和实验室的温度。（4）置示波器为模式。（5）连续移动接收换能器，当图形为斜线时，两信号的相位差时，依次在表3中记下示波器上出现斜线时游标卡尺的位置读数。（6）用逐差法计算出波长的平均值和声速，对比理论值，计算相对误差

8、。5五、实验数据记录与处理（给出详细的计算过程）表1