《声速的测量》ppt课件

1、超声声速测定超声声速测定太原理工大学物理实验中心太原理工大学物理实验中心一、声波背景一、声波背景二、实验目的二、实验目的三、实验原理三、实验原理四、实验仪器四、实验仪器五、实验内容五、实验内容六、数据处置六、数据处置一、声波背景一、声波背景1、声音与我们的生活、声音与我们的生活2、声速丈量的目的、声速丈量的目的 3、声速丈量的开展、声速丈量的开展 自然界中充溢了各种各样的声音：收音机里播放的悦耳音乐声，飞机擦过长空时扰人的噪声，狂风的吼叫声，海祷 的怒吼声，爽朗的欢笑声，欢乐的交谈声，等等，在日常生 活中处处都可以听到。可见声音与我们的生活是亲密相关的。 人类对声学的研讨最早可以追溯到公元前5

2、80年埃及人毕达 哥拉斯。 而古希腊人亚里士多德接触到声学实际，他持有关于空气的运动性质构成声音的正确思想，并且他还知道，假设管的长度加倍，那么管内的振动就要花两倍的时间。1.声音与我们的生活 牛顿在他的牛顿在他的中对声速作了实际推导，但实验的结果与中对声速作了实际推导，但实验的结果与此并不相符，牛顿推测了实验值和实际值之间不一致的缘由。但此并不相符，牛顿推测了实验值和实际值之间不一致的缘由。但是，真正的解释是在过了一个世纪之后由拉普拉斯是，真正的解释是在过了一个世纪之后由拉普拉斯(17491827)做做的。的。 牛顿没有思索到由于紧缩变热和稀疏致冷引起的弹性变化。牛顿没有思索到由于紧缩变热和

3、稀疏致冷引起的弹性变化。 今天人们对声音的研讨，从语音声学、生理声学、建筑声学、今天人们对声音的研讨，从语音声学、生理声学、建筑声学、环境声学、水声学、超声学等等，普及各个领域。环境声学、水声学、超声学等等，普及各个领域。 特别值得一提的是次声波，次声波指的是频率在特别值得一提的是次声波，次声波指的是频率在0.0001赫兹至赫兹至20赫兹之间的波。虽然我们的耳朵听不见它，在我们周围由自然赫兹之间的波。虽然我们的耳朵听不见它，在我们周围由自然和人工产生的次声波也很多。和人工产生的次声波也很多。 2 2、声速丈量的目的、声速丈量的目的 声学丈量和分析是人们认识声学问题本质的一种手段。声学丈量和分析

4、是人们认识声学问题本质的一种手段。经过必要的丈量和分析可以对声学有定量概念，从而了解经过必要的丈量和分析可以对声学有定量概念，从而了解其规律性。其规律性。 声学丈量通常是指先用电声声学丈量通常是指先用电声( (或机电或机电) )换能器把声波换能器把声波( (或振或振动动) )转换成相应的电信号，然后用电子仪表放大到一定的电转换成相应的电信号，然后用电子仪表放大到一定的电压，再进展丈量与分析的技术以及有关声学仪器的任务原压，再进展丈量与分析的技术以及有关声学仪器的任务原理理 3、声速丈量的开展 二十世纪以来，声学丈量技术开展很快目前二十世纪以来，声学丈量技术开展很快目前 声学仪器有较大开展，并具

5、有高保真度，如宽的频声学仪器有较大开展，并具有高保真度，如宽的频 范围和动态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响范围和动态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响 应等。应等。 过去，丈量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪过去，丈量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表，丈量的速度和准确度遭到一定的限制。六十年代表，丈量的速度和准确度遭到一定的限制。六十年代初。出现了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了初。出现了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了丈量时读数的准确度。丈量时读数的准确度。 由于计算技术和高质量、低由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成电路的开展，人们已能用由微处置功耗的大规模集成电路的开展

6、，人们已能用由微处置机控制的自动丈量替代逐点丈量，使许多需求事后计机控制的自动丈量替代逐点丈量，使许多需求事后计算的声学丈量和分析任务可以用微计算机实时运算。算的声学丈量和分析任务可以用微计算机实时运算。 以微处置机为中心的丈量仪器，不但实现了小型化、以微处置机为中心的丈量仪器，不但实现了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里叶换算法从而实现了多功能，而且由于采用了快速博里叶换算法从而实现了实时分析。同时也出现了一些新的声学丈量和分析方法，实时分析。同时也出现了一些新的声学丈量和分析方法，例照实时频谱分析，声强丈量，声源鉴别，瞬态信号分例照实时频谱分析，声强丈量，声源鉴别，瞬态信号分析，相关分

7、析等。析，相关分析等。 今后声学丈量的义务是采用新的丈量技术，提出新今后声学丈量的义务是采用新的丈量技术，提出新的丈量力法，运用自动化数字式仪器，以提高丈量的淮的丈量力法，运用自动化数字式仪器，以提高丈量的淮确度和速度。确度和速度。 回想历史，可以看到，在开展经回想历史，可以看到，在开展经典声学的典声学的 过程中，许多研讨任务是直过程中，许多研讨任务是直接用人耳来听声音的。直到本世纪，开展接用人耳来听声音的。直到本世纪，开展了无线电电子学，才使声波的丈量采用了了无线电电子学，才使声波的丈量采用了电声换能器和电子丈量仪器。电声换能器和电子丈量仪器。 高性能的丈量传声器、频谱分祈仪和声级记高性能的

8、丈量传声器、频谱分祈仪和声级记 录器实现了声信号的声压级丈量，频谱分析和声录器实现了声信号的声压级丈量，频谱分析和声情号特性的自动记录；从而可以丈量各种不同频情号特性的自动记录；从而可以丈量各种不同频率、不同强度和波形的声波，扩展了声学的研讨率、不同强度和波形的声波，扩展了声学的研讨范围，促进了近代声学的开展。可以期望，计算范围，促进了近代声学的开展。可以期望，计算技术和大规模集成电路的开展，微计算机和微处技术和大规模集成电路的开展，微计算机和微处置机在声学任务中的运用，必将促使近代声学进置机在声学任务中的运用，必将促使近代声学进一步开展一步开展 二、实二、实 验验 目目 的的 1、学惯用共振

9、干涉法和相位比较法测定空气、学惯用共振干涉法和相位比较法测定空气 中的声速。加深对共振、振动合成、波的中的声速。加深对共振、振动合成、波的 干涉等实际干涉等实际2、了解压电换能器的功能及超声、了解压电换能器的功能及超声波波 的产生、发射、传播和接受原的产生、发射、传播和接受原 理理3、熟习低频信号函数发生器、模、熟习低频信号函数发生器、模拟拟 示波器的运用运用方法。示波器的运用运用方法。声速的特点声速的特点 频率在频率在2020000Hz的声振动在弹性媒质中所激起的纵波称声的声振动在弹性媒质中所激起的纵波称声波。声波是一种机械波。频率超越波。声波是一种机械波。频率超越20000Hz的声波称为超

10、声波。声的声波称为超声波。声波的频率、波长、速度、相位等是声波的重要特性。声波在空气中波的频率、波长、速度、相位等是声波的重要特性。声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决于空气本身的性质，因此有的传播速度与声波的频率无关，只取决于空气本身的性质，因此有RTv-绝热系数，绝热系数，R-摩尔气体常数，摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质量，空气分子的摩尔质量，T-绝对温绝对温度度三、实验原理三、实验原理15.273t15.27345.331tv 由此可见，气体中的声速由此可见，气体中的声速 v 和温度和温度 T 有关，还与比热比有关，还与比热比 及摩及摩尔质量尔质量 有关，后两个要素与气体成分

11、有关。因此，根据测定出的有关，后两个要素与气体成分有关。因此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。声速还可以推算出气体的一些参量。 在规范形状下，在规范形状下，0 oC时，声速为时，声速为 vo331.45ms，显然在，显然在 t oC时，枯燥空气中声速的实际值应为时，枯燥空气中声速的实际值应为 由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是不同由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是不同的的 。 本实验是对超声波波速的丈量。丈量声速最简单、本实验是对超声波波速的丈量。丈量声速最简单、最有效的方法之一是利用声速最有效的方法之一是利用声速v 、振动频率、振动频率 f 和波长和波

12、长 之之间的根本关系，即间的根本关系，即 v=f 测出声振动频率测出声振动频率 f 和声波的波长和声波的波长 ，就可算出声波的波，就可算出声波的波速速 v。当然这仅仅是一种最简便的近似丈量。当然这仅仅是一种最简便的近似丈量。 实验室中常利用，用共振干涉法、相位比较法测定波实验室中常利用，用共振干涉法、相位比较法测定波长长 ，由函数发生器或示波器直接读出频率，由函数发生器或示波器直接读出频率 f。 丈量方法丈量方法共振干涉法驻波法共振干涉法驻波法S1发射S2反射干涉而成驻波LS2外表声压与其位置的关系2232Lp波腹波节波腹处的驻波波腹处的驻波-80-80-60-60-40-40-20-200

13、020204040606080800 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1干涉干涉发射发射反射反射波节处的驻波波节处的驻波-60-60-40-40-20-200 02020404060600 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1干涉干涉发射发射反射反射结论：每两个相临波腹波节间的间隔为2 s1和和s2为压电陶瓷超声换能器，为压电陶瓷超声换能器，s1作为超声源发射头，作为超声源发射头，信号源发出的正弦电压信号接到换能器信号源发出的正弦电压信号接到换能器s1后，即能发出一平面声后，即能发出一平面声波。波。s2作为超声波的接纳头，接纳的声压转换成电信号后输入示

14、作为超声波的接纳头，接纳的声压转换成电信号后输入示波器察看，波器察看，s2在接纳超声波的同时还反射一部分超声波。这样，在接纳超声波的同时还反射一部分超声波。这样，由由s1发出的超声波和由发出的超声波和由s2反射的超声波在反射的超声波在s1、s2之间的区域干涉之间的区域干涉而构成驻波。改动而构成驻波。改动s1、s2之间的间隔，在一系列特定的位置上，之间的间隔，在一系列特定的位置上，接纳面接纳面s2上的声压到达极大值，可以证明：相邻两极大值之间的上的声压到达极大值，可以证明：相邻两极大值之间的间隔为半波长。间隔为半波长。 为了测出驻波相邻波腹或相邻波节之为了测出驻波相邻波腹或相邻波节之间的半波长间

15、隔，可改动间的半波长间隔，可改动s1和和s2之间的间隔，之间的间隔，此时，可以看到示波器上显示的信号幅度发生此时，可以看到示波器上显示的信号幅度发生周期性的大小变化，即由一个极大变到极小，周期性的大小变化，即由一个极大变到极小，再变到极大，而幅度每一次周期性的变化，就再变到极大，而幅度每一次周期性的变化，就相当于相当于s1、s2之间的间隔改动了。之间的间隔改动了。s1、s2之之间间隔的改动由游标尺测得。由信号源可读出间间隔的改动由游标尺测得。由信号源可读出超声源的频率超声源的频率f，这样就可计算出声速，这样就可计算出声速v。2. 2. 相位法相位法 波是振动形状的传播，也可以说是相位的传播。波

16、是振动形状的传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，其振动形状一样沿传播方向上的任何两点，其振动形状一样(同相同相: 相相位差为位差为0)或者说其相位差为或者说其相位差为2的整数倍时两点间的间的整数倍时两点间的间隔应等于波长隔应等于波长的整数倍，即的整数倍，即 l = n (n为一正整数为一正整数) 利用这个公式可丈量波长。利用这个公式可丈量波长。相位法又可分为行波法和李萨如图形法。相位法又可分为行波法和李萨如图形法。(1)行波法行波法 将发射信号和接纳信号同时输入到示波器，此将发射信号和接纳信号同时输入到示波器，此时示波器上同時显示的发送和接纳电信号。当改动时示波器上同時显示的发

17、送和接纳电信号。当改动两个换能器之间的间隔时，发送信号不变，而接纳两个换能器之间的间隔时，发送信号不变，而接纳电信号正弦波的幅值和位置均发生变化，当接电信号正弦波的幅值和位置均发生变化，当接纳电信号的位置与发射信号的位置前后两次重合时纳电信号的位置与发射信号的位置前后两次重合时接纳器走过的间隔，就是信号的波长。接纳器走过的间隔，就是信号的波长。12xxl(2)李萨如图法李萨如图法lvlf22 从从s1发出的超声波经过媒质到达接纳头发出的超声波经过媒质到达接纳头s2，在发射波和接纳波之间产生相位差，此相位差在发射波和接纳波之间产生相位差，此相位差和角频率和角频率=2f、传播时间、传播时间、声速、

18、声速v、间、间隔隔l、波长、波长之间有以下关系：之间有以下关系： 由上式可知，假设要使相位差由上式可知，假设要使相位差改动改动2，那么，那么， s1和和s2的间距的间距l就要相应地改动一个波长就要相应地改动一个波长 。于是，。于是，根据相位差的根据相位差的2变化，便可以丈量出波长来。声变化，便可以丈量出波长来。声波频率由信号源读出，根据上式便可算出声速。波频率由信号源读出，根据上式便可算出声速。 我们可以经过示波器来察看相位差。相互垂直我们可以经过示波器来察看相位差。相互垂直的两个谐振动的合成，能得到李萨如图形。假设两的两个谐振动的合成，能得到李萨如图形。假设两个谐振动的频率一样，那么李萨如图

19、形就很简单。随个谐振动的频率一样，那么李萨如图形就很简单。随着两个振动的相位差从着两个振动的相位差从0变化，图形从斜率为变化，图形从斜率为正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。选择判正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。选择判断比较灵敏的亦即李萨如图形为直线的位置作为测断比较灵敏的亦即李萨如图形为直线的位置作为测量的起点。每挪动一个波长的间隔就会反复出现同量的起点。每挪动一个波长的间隔就会反复出现同样斜率。样斜率。用李萨如图形观测相位的变化 两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长 。 24434547223012四、实验仪器 本实验运用的仪器主要有

20、：声速丈量仪、 函数发生器和示波器。 声速丈量仪由：超声压电陶瓷换能器、带有标尺的底座和读数安装构成，用来作声压与电压之间的转换，以及波长的丈量。 函数发生器用来产生超声波； 示波器用来察看超声波的振幅、相位和频率。读数安装压电陶瓷换能器底座底座传感器及它的内部构造 传感器是物理实验中常用的间接丈量元件。本实验传感器是物理实验中常用的间接丈量元件。本实验中运用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来中运用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来产活力械振动并在空气中激发出超声波。另一个用来接纳产活力械振动并在空气中激发出超声波。另一个用来接纳振动，同时电输出端产生相应的电信号。振动，同

21、时电输出端产生相应的电信号。 本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的转换。本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的转换。压电换能器做波源具平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时，由压电换能器做波源具平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时，由于频率在超声范围内，普通的音频对它无干扰。频率提高，波长于频率在超声范围内，普通的音频对它无干扰。频率提高，波长就短，就短，在不长的间隔中可测到许多个在不长的间隔中可测到许多个，取其平均值，取其平均值，的测定较准确。这些都的测定较准确。这些都可使实验的精度大大提高。可使实验的精度大大提高。 压电陶瓷超声换能器由压电陶瓷片和轻、重两种

22、金属组成。压电压电陶瓷超声换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成。压电陶瓷片如钛酸钡、锆钛酸铅等是由一种多晶构造的压电资料做成的，陶瓷片如钛酸钡、锆钛酸铅等是由一种多晶构造的压电资料做成的，在一定的温度下经极化处置后，具有压电效应。在一定的温度下经极化处置后，具有压电效应。 反之，当与极化方向一致的外加电压反之，当与极化方向一致的外加电压U加在压电资料上时，资加在压电资料上时，资料的伸缩形变料的伸缩形变S与电压与电压U也有线性关系也有线性关系S=dU。比例常数。比例常数g、d称为压称为压电常数，与资料性质有关。由于电常数，与资料性质有关。由于E、T、S、U之间具有简单的线性关之间具有简单的线性

23、关系，因此我们就可以将正弦交流电信号转变成压电资料纵向长度的伸系，因此我们就可以将正弦交流电信号转变成压电资料纵向长度的伸缩，成为声波的波源，同样也可以使声压变化转变为电压的变化，用缩，成为声波的波源，同样也可以使声压变化转变为电压的变化，用来接纳声信号。来接纳声信号。 在简单情况下，压电资料遭到与极化方向一致的应力在简单情况下，压电资料遭到与极化方向一致的应力T时，在极化方向上产生一定的电场强度时，在极化方向上产生一定的电场强度E，它们之，它们之间有一简单的线性关系间有一简单的线性关系E=gT； 在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属，组成在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金属，组成夹心型振子。头部

24、用轻金属做成喇叭型，尾部用重金夹心型振子。头部用轻金属做成喇叭型，尾部用重金属做成锥型或柱型，中部为压电陶瓷圆环，紧固螺钉属做成锥型或柱型，中部为压电陶瓷圆环，紧固螺钉穿过环中心。这种构造增大了辐射面积，加强了振子穿过环中心。这种构造增大了辐射面积，加强了振子与介质的耦协作用，由于振子是以纵向长度的伸缩直与介质的耦协作用，由于振子是以纵向长度的伸缩直接接 影响头部轻金属作同样的纵向长度伸缩对尾部重影响头部轻金属作同样的纵向长度伸缩对尾部重金属作用小，这样所发射的波方向性强，平面性好。金属作用小，这样所发射的波方向性强，平面性好。 传感器内部构造 压电陶瓷片电输入或输出端铝外壳开关显示屏显示屏第二通道第一通道一通道放大、一通道放大、衰减器衰减器二通道放大、二通道放大、衰减器衰减器时基扫描时基扫描 聚焦辉度频率调理频率范围选择信号输出函数选择开关信号发生器五、实验内容五、实验内容2、利用共振驻波法丈量声速、利用共振驻波法丈量声速3、利用行波法丈量声速、利用行波法丈量声速4、利用李萨如图法丈量声速、利用李萨如图法丈量声速1、谐振频率的调整、谐振频率的调整1 1、谐振频率的调整、谐振频率的调整改动信号发生器的频率时，看到改动信号发生器的频率时，看到2 2、利用共振驻波法丈量声速、利用共振驻波法丈量声速 将换能器的接纳端接入示波器