实验35 声速的测定

1、声速的测定1、 实验描述 声波是一种在弹性介质内传播的纵波。声速是描述声波传播快慢的物理量，对声速的测量，尤其是对超声声速的测量时声学技术中的重要内容，在医学、测距等方面都有重要的意义。2、 实验目的（1） 学会用位相法测声速。（2） 利用李萨茹图形测位相差。（3） 学会用共振法测量声速。3、 实验原理图11、 位相法测声速 实验装置如图1所示，S1,S2为两个压电晶体换能器，一个用来发射声波，一个用来接受声波。假设以S1发出的超声波经过一段时间传到S2，S1和S2之间的距离为L，那么，S1和S2处的声位相差为=2L/,如果L=n（n为正整数），则=2n，若能测出位相差，便可得到波长，再用频率

2、计测出波源的频率，则声速c便可求得。用李萨茹图形测位相差 将送给S1的输入信号接至X轴，S2接收到的信号接至Y轴。设输入X轴的入射波的振动方程为：则Y轴接收到的的S2波形的振动方程为：合成的振动方程为： 此方程的轨迹为椭圆椭圆长短轴由相位差（决定。位相差为=0时，轨迹为在一、三象限的直线,如图a，若=/2，则轨迹为椭圆，如图b；若=，轨迹为在二、四象限的直线段,如图c。 因为=2（f为超声波的频率） （公式1）若S2离开S1的距离为L=S2-S1=/2,则=/2，随着S2的移动，随之在0-内变化，李萨茹图形也重复变化。所以由图形的变化可求出，与这种图形图c图b图a重复变化的相应的S2的移动距离

3、为/2，L的长度可在一起上读出。便可根据公式c=f求出声速。2、 共振法测声速由发射器发出的声波近似于平面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射并且叠加，叠加的波可近似看作有驻波加行波的特征。由纵波的性质可以证明，当接收器断面按振动位移来说处于波节时，则按声压来说是处于波腹。当发生共振时，接收器端面近似为波节，接收到的声压最大，经接收器转换成的电信号也最强，升压变化和接受器位置的关系可从实验中测出。将示波器调到只显示CH2，调节压电换能器的位置，使波形达到最大振幅，记录下此时换能器的位置x1，慢慢调节鼓轮，观察示波器内波形的变化，在第二次出现最大振幅的时候再次记录下换能器的位置x2。以此类

4、推，共测10组数据。图2测得的相邻两波腹的位置xn 、xn+1，如图2左所示，即相邻两次出现最大振幅的时候位置，即可得 =2| xn+1-xn|。3、 超声波的发射与接受-压能转化器（如图2右所示） 发射或接受超声波的器件叫超声换能器（就是将超声转换为电信号）。本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换，这类声速测量仪是利用压电体的逆压电效应，即在信号发生器产生的交变电压下，使压电体产生机械振动，在空气中激发声波。压电陶瓷处于一交变电场中，会发生周期性的声场与缩短。当交变电场频率域压电陶瓷的固有频率相同时振幅最大。设个振动又被传递给变幅杆，使它产生沿轴向的振动，于是变幅杆的端面在空气中

5、激发出声波。本实验中仪器的压电陶瓷振荡频率为40khz左右，相应的超声波波长约为几毫米。它的波长短，定向发射性能好。而变幅杆端面直径 （为扩大直径另加一个环形薄片）比声波波长大得多，可近似认为发射面远处的声波是平面波。4、 实验内容按右图连接好线路，将测试方法设置到连续波方程，测量声波在空气中的速度。将信号源的发射信号与压电换能器接受的信号分别接到示波器的X,Y轴输入端，了解一下压电陶瓷的简谐频率f，将信号输出调节至f的附近，将S2靠拢S1，移动刻度鼓轮，使S2缓慢离开S1，当示波器屏上出现图a中45度的斜线时，几下此时鼓轮的位置x1，继续缓慢移动鼓轮，记下示波器上的图形变为图c,时数显尺上的

6、读数x2、x3.x12,同时记下相应的频率f. 用逐差法处理数据，求出超声波的波长；求出频率的平均值，由c=f求出声速。记下室温t，根据理论公式 c理 = 计算声速。 其中是=273.15K时的声速，最后求测量值与理论值的百分误差。5、 实验仪器 (1)4325型示波器（2）SVX-5综合声速测试仪（3）连接导线（4根)六、实验步骤1、位相法（1）打开压电换能器的开关，将超声波的频率调至40khz附近。将S1的输入信号接至示波器的X轴，S2接受的信号接至示波器的Y。（2）调整示波器，使其屏上显示稳定的的李萨茹图形，再微调鼓轮，使屏上的丽萨图图形呈现为一直线。记下此时的鼓轮位置的读数。（3）转动

7、鼓轮，使S2远离S1，当示波器上再次出现（2）中的图形时，记下此时鼓轮位置的读数x1和声速测试仪上显示的超声波的频率f1。重复此步骤，记下x2,x3.及相应的f2,f3.2、共振法将示波器调到只显示CH2，调节压电换能器的位置，使波形达到最大振幅，记录下此时换能器的位置x1，慢慢调节鼓轮，观察示波器内波形的变化，在第二次出现最大振幅的时候再次记录下换能器的位置x2。以此类推，共测10组数据实验完毕，将实验器材规整到位。分析数据，得出结论。七、实验数据及处理实验室度t：25.01、位相法李萨茹图形处于图a、图c时的鼓轮读数、声速测量仪读数鼓轮位置x/cm10.3010.7811.2811.751

8、2.2112.7213.2113.70声速测试仪频率f/hz3568335685356873568935691356933569435695采用逐差法求出平均半波长1/2=0.478cm平均频率=35689.61hz所以声速c=f=341.19m/sL理论声速为：=331.45*348.89m/s百分误差为：2.21%可见本次实验的精度较高。2、 共振法波形相位比较法测波长数据记录表 信号源显示频率：37213Hz序号序号12345678910位置x/cm5.20 5.66 6.126.58 7.04 7.50 7.96 8.42 8.88 9.34 采用逐差法处理数据：x=x6-x1+（x10-x5）25=7.50-5.20+（9.34-7.04）25=0.46（cm）波长=2x=0.92cm声速V2=f=0.92x10-2x37213m/s=342.36 m/s百分误差E2=|V2-V0|V0x100%=346.29-342.36346.29x100%=1.34%可见实验精度较高8、 实验总结1、 环境（如温度，湿度，空气密度）对声速的都有影响，其中温度对声速有很大的影响。2、 对于声速的测量有很多不同的方法，本实验采用位相法，共振法来测声速，要了解不同方