实验一 声速测量综合实验.doc 参考

实验一 声速测量综合实验 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，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 的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超过 的kHz20 kHz20 声波称为超声波。 声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量。在超声波 测距、定位，液体流速 的测量，材料的弹性模量测量 ,气体温度瞬间变化测量，都会牵涉到声速物理量。超声波的发 射与接收也是防盗与监控及医学诊断的重要手段之一。 在空气中，一些波动现象，不仅可以用可见光与微波演示，也可以用声波演示。在气体 中，声波是纵波而不是横波，因而不出现偏振现象，这是与电磁波现象的一个重大区别，但 声音所产生的几种干涉和衍射效应与电磁波干涉和衍射效应完全相似。 由于超声波具有波长短，易于定向 发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量。 【预习重点】 1. 用共振干涉法测量声音在空气中传播的声速的原理和方法。 2. 用相位比较法测量声音在空气中传播的声速的原理和方法。 3. 阅读 型示波器使用说明，熟悉用示波器观测波形及李萨如图形显示操作。6021GOS 参考文献：物理学 ，祝之光编，波动学基础部分。 【实验目的】 1. 用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速。 2. 研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象。 3对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。 【实验原理】 1. 共振干涉法 设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器，如果接收 面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波， 反射面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离 ，在一系列特定的距离上，媒l 质中出现稳定的驻波共振现象。此时， 等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同l 时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出，在移动接收器的过程中，相 邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此，若保持频率 不变，通过f 测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离( )，就可以用 计算声2/V 速。 2. 相位比较法 发射波通过传声媒质到达接收器，所以在同一时刻，发射处的波与接收处的波的相位 不同，其相位差 可利用示波器的李萨如图形来观察。 和角频率 、传播时间 之间有t 如下关系： (1)t 同时有， ,T/2 V)T(V, ， 代 入 上 式 得为 周 期式 中lt (2)/2l 当 时，得 。,.)31(/nln 实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，可观察到相位的变化。而当相位差改 变 时，相应的距离 的改变量即为半个波长。由波长和频率值可求出声速。l 3. 声波在空气中传播速度（t 时）的理论公式为 15.27300tvTvOS （6） 式中 ，为 时的声速， 。smv/45.310K15.2730 KtT15.273 【仪器设备】 1. 实验仪器 仪器主要由三部分组成：声速测定装置、正弦信号发生器和示波器。 2仪器介绍 图 4 中，1米尺，2带刻度手轮(精 度 0.01 )，3丝杠，4 可移动底座，m 5发射换能器，6接收换能器，7支架。 声速测定装置主要由两只相同的压电 陶瓷换能器 5 和 6 所组成，压电陶瓷换能 器是将声波和电信号相互转换的装置。将 5 作为超声源，它与低频信号发生器相连接， 将电能转化为声能，即从发射头的平面端 产生的声波在空气中形成平面纵波；6 作为反射面，同时也是接收端，把声能转化为电能， 接收端与示波器相连，就可对接收端的声压信号进行观测。5 和 6 间的距离可调，通过仪 器上的游标卡尺测定。 【实验内容】 1. 必做实验：声音在空气中传播速度测量 1). 调整测试系统的谐振频率 按图 5 将实验装置接好。正弦波的频率取 ，调节接收换能器尽可能近距离，且kHz40 使示波器上的电源信号为最大。然后，将两个换能器分开稍大些距离（约 6-7cm） ，使接收 换能器输入示波器上的电压信号为最大（近似波节位置） 。再调节频率，使该信号确实为该 位置极大值。最后，细调频率，使接收器输出信号与信号发生器信号同相位。此时信号源 输出频率才最终等于二个换能器的固有频率。在该频率上，换能器输出较强的超声波。 2). 在谐振频率处用共振法和相位法测声速。 当测得一声速极大值后，连续地移动接收端的位置，测量相继出现 20 个极大值所相应 的各接收面位置 ，再用逐差法求波长值。iL 在用相位比较法时，将接收器与示波器的 Y 轴相连，发射器与示波器 X 轴相连，即可 利用李萨如图形来观察发射波与接收波的相位差，适当调节 Y 轴和 X 轴灵敏度，就能获得 比较满意的李萨如图形。对于两个同频率互相垂直的简谐振动的合成，随着两者之间相位 差从 0- 变化，其李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆，再由椭圆变到斜率为负的直 图 4 声速测量装置结构图 线。记录游标卡尺上读数时，应选择李萨如图形为直线时所对应的位置。每移动半个波长， 就会重复出现斜率正负交替的直线图形。 3). 将上述两种方法的测量结果比较，计算相对偏差。 【注意事项】 1. 在操作过程中，换能器 s1 和 s2 不能相碰，以免损坏压电晶体。 2. 测量 L 时必须沿同一方向轻而缓慢地转动位置调节手轮。 3. 信号源不要短路，以防烧坏仪器。 【实验数据】 1. 数据记录：自拟记录表格。 2. 数据处理： 1). 用逐差法处理数据，求出 ，计算出声速 。v 2). 记录室温 ，由公式 计算相应的理论值。t 15.27300tTvOS 3). 计算声速 的百分误差。v 【预习思考题】 1. 声波与光波、微波有何区别？ 2. 示波器使用 方式如何操作？yx, 【课后思考题】 1. 为何在声波形成驻波时，在波节位置声压最大，因而接收器输出信号最大？ 2. 为何换能器的面要互相平行？不平行会产生什么问题？ 【附录】 1数显声速测定装置如图 6 所示 图 6 中，1-电源开关;2位移显示;3位移显示 置零;4位移调节;5信号输入;6超声发射器;7 超声接收器;8接收信号输出 ;9-转动导轨 本图中，6 和 7 分别为超声发射器和超声接收器；5 和 8 分别