声速测定试验精PPT学习教案

1、声速测定试验精声速测定试验精【实验目的实验目的】 （1）学习测量空气中声速的两种方法：共振干涉法和相位比较法。 （2）加深对驻波和振动合成理论的理解。 （3）进一步熟悉示波器的使用。【实验仪器实验仪器】 DH-DPL声速综合实验仪 示波器第1页/共24页【实验原理实验原理】 声波是在弹性媒质中传播的机械波。声速是描述波在媒质声波是在弹性媒质中传播的机械波。声速是描述波在媒质中传播特性的基本物理量，它与媒质的性质及状态有关。测定中传播特性的基本物理量，它与媒质的性质及状态有关。测定声速可以了解被测媒质的性质、状态及其变化；根据频率范围声速可以了解被测媒质的性质、状态及其变化；根据频率范围的不同，

2、可以把声波分为可闻声波、超声波和次声波。的不同，可以把声波分为可闻声波、超声波和次声波。 由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，因此在超由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，因此在超声波段测声速是比较方便的。通常利用压电陶瓷换能器来进声波段测声速是比较方便的。通常利用压电陶瓷换能器来进行超声波的发射和接收。行超声波的发射和接收。 第2页/共24页1、超声波压电陶瓷换能器原理超声波压电陶瓷换能器原理 超声波换能器的核心结构是压电片。压电片是由一种多晶超声波换能器的核心结构是压电片。压电片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等）做成的。它在应结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷

3、等）做成的。它在应力作用下两极产生异号电荷，两极间产生电位差（称正压电效力作用下两极产生异号电荷，两极间产生电位差（称正压电效应）；而当压电材料两端间加上外加电压时又能产生应变（称应）；而当压电材料两端间加上外加电压时又能产生应变（称逆压电效应）。利用上述可逆效应可将压电材料制成压电换能逆压电效应）。利用上述可逆效应可将压电材料制成压电换能器，以实现声能与电能的相互转换。器，以实现声能与电能的相互转换。 第3页/共24页 压电陶瓷换能器根据它的工作方式，可分为纵向（振动）压电陶瓷换能器根据它的工作方式，可分为纵向（振动）换能器、径向换能器、径向(振动振动)换能器及弯曲振动换能器等。图中为纵向换

4、能器及弯曲振动换能器等。图中为纵向换能器的结构简图。换能器的结构简图。 第4页/共24页2、驻波法原理驻波法原理 由声源发出的声波经前方平面反射后，入射波和反射波叠由声源发出的声波经前方平面反射后，入射波和反射波叠加，当两平面平行时，在它们之间形成加，当两平面平行时，在它们之间形成驻波驻波。 （1）绳中的驻波绳中的驻波； （2）空气内的驻波空气内的驻波 设两列波频率、振动方向和振幅相同，在设两列波频率、振动方向和振幅相同，在x轴上传播方向轴上传播方向相反，其波动方程为相反，其波动方程为 xtAyxtAy2cos2cos21反射波发射波叠加后合成波方程为叠加后合成波方程为 tAxAxtAxtAy

5、yycos2cos22cos2cos21第5页/共24页xA2cos212cosx02cosx2nx4) 12(nx两波合成后介质各点都在作同频率的简谐振动，各点的振幅两波合成后介质各点都在作同频率的简谐振动，各点的振幅的各点振幅最大的各点振幅最大的点静止不动，振幅最小的点静止不动，振幅最小处为振幅极大位置处为振幅极大位置处为振幅极小位置处为振幅极小位置第6页/共24页2/可见相邻两振幅极大可见相邻两振幅极大(或振幅极小或振幅极小)间的距离为间的距离为 只要测得相邻两振幅极大只要测得相邻两振幅极大(或振幅极小或振幅极小)的位置，的位置，就可就可算出波长算出波长、，。第7页/共24页1x2x2

6、2、相位比较法原理、相位比较法原理 声源发声后，在其周围形成声场。声场介质中任一点的声源发声后，在其周围形成声场。声场介质中任一点的振动相位是随时间而变化的，但它与声源振动的相位差振动相位是随时间而变化的，但它与声源振动的相位差 不随时间变化。不随时间变化。设声源设声源S1位位于于处，接收器处，接收器S2位于位于1x112cosxtAy2x222cosxtAy声源声源 处的振动方程为处的振动方程为 位于位于处接收面的振动方程为处接收面的振动方程为 第8页/共24页)(212xx )(12xx 它们是两个同频率的正弦波，两处振动相位差为它们是两个同频率的正弦波，两处振动相位差为 当当改变一个波长

7、时，相位差正好改变一个周期。改变一个波长时，相位差正好改变一个周期。 将发射换能器将发射换能器S1的电信号和接收换能器的电信号和接收换能器S2的电信的电信号分别输入到示波器的两个通道作垂直叠加，合号分别输入到示波器的两个通道作垂直叠加，合成后在示波器荧光屏上就会显示出利萨如图形。成后在示波器荧光屏上就会显示出利萨如图形。当接收换能器当接收换能器S2移动时，随超声波传播距离的变移动时，随超声波传播距离的变化，两波之间的相位差发生改变，化，两波之间的相位差发生改变，CH l和和CH 2接接收到的信号叠加而产生的李萨如图随相位差的改收到的信号叠加而产生的李萨如图随相位差的改变而变化。变而变化。 通过

8、准确测量相位变化一个周期时接收换能通过准确测量相位变化一个周期时接收换能器移动的距离，即可得出对应的波长。器移动的距离，即可得出对应的波长。 第9页/共24页（1）按图接线。发射换能器按图接线。发射换能器S1接实验仪接实验仪“发射器发射器换能器换能器”端，实验仪端，实验仪“发射器发射器波形波形”端接至示波器通道端接至示波器通道1（CH 1）；接接收换能器收换能器S2接实验仪接实验仪“接收器接收器换能器换能器”端，实验仪端，实验仪“接收接收器器波形波形”端接至示波器通道端接至示波器通道2（CH2）。【实验内容实验内容】 1调整系统的谐振频率调整系统的谐振频率 第10页/共24页 （2）先将）先将

9、S1、S2彼此接近，但不靠拢，在彼此接近，但不靠拢，在实验室给定的谐振频率实验室给定的谐振频率附近调整实验仪输出附近调整实验仪输出信号频率使示波器上的信号为最大。缓慢信号频率使示波器上的信号为最大。缓慢移动移动S2，可在示波器上看到正弦波振幅的变，可在示波器上看到正弦波振幅的变化，移动至首次振幅极大处，固定化，移动至首次振幅极大处，固定S2不动，不动，仔细调节输出信号频率，再次使示波器上的仔细调节输出信号频率，再次使示波器上的电压信号达到极大值。此时信号输出频率等电压信号达到极大值。此时信号输出频率等于换能器的谐振频率，在该频率上，换能器于换能器的谐振频率，在该频率上，换能器发射较强的超声波。

10、此后，不再调节实验仪发射较强的超声波。此后，不再调节实验仪的输出信号频率。的输出信号频率。第11页/共24页621,lll2共振干涉法测声速共振干涉法测声速 继续缓慢移动继续缓慢移动S2，由近而远，逐个记下示波器上相，由近而远，逐个记下示波器上相继出现继出现6个极大值时个极大值时S2的位置的位置1l4l2l5l3l6liliilll3l位位 置置（mm）平平 均均 值值32lfv 第12页/共24页3相位比较法测声速相位比较法测声速 将示波器扫描时间调至将示波器扫描时间调至“XY”挡，示波器显示由挡，示波器显示由CH l和和CH2的信号合成的利萨如图形。将的信号合成的利萨如图形。将S2移至移至

11、S1附近处，附近处，S2和和S1接近而不靠拢。接近而不靠拢。 第13页/共24页 再由近而远，缓慢移动再由近而远，缓慢移动S2，并同时观察示波器上利萨如，并同时观察示波器上利萨如图形的变化，逐个记下利萨如图形为直线（斜率为正或斜率图形的变化，逐个记下利萨如图形为直线（斜率为正或斜率为负）时，为负）时，S2的位置的位置621,lll 1l4l2l5l3l6liliilll3l位位 置置（mm）平平 均均 值值3lfv 第14页/共24页3理想气体中的声速理想气体中的声速001Ttvvsmv/45.3310KT0015.273 若考虑到空气中总含有一些水蒸气，对上式修正，若考虑到空气中总含有一些水

12、蒸气，对上式修正，在温度为在温度为 t ，相对湿度为，相对湿度为 r 的空气中的声速为的空气中的声速为 温度为温度为 t 时气体中的声速时气体中的声速 pprTtvvs3192. 01100sp为室温时空气的饱和蒸气压。为室温时空气的饱和蒸气压。 aPp510013. 1第15页/共24页4. 计算声速测量值与理论值比较的相对误差计算声速测量值与理论值比较的相对误差 %100|vvvE测第16页/共24页【注意事项注意事项】 （1）当驻波系统偏离共振状态时，驻波的形状不稳定，）当驻波系统偏离共振状态时，驻波的形状不稳定，而且声波波腹的振幅比最大值要小得多。因此，在实验开而且声波波腹的振幅比最大

13、值要小得多。因此，在实验开始时，应仔细调节系统的谐振频率，使系统达到最佳的驻始时，应仔细调节系统的谐振频率，使系统达到最佳的驻波共振状态。波共振状态。 （2）声速测定仪接收端的移动是通过由丝杠、螺母构）声速测定仪接收端的移动是通过由丝杠、螺母构成的传动机构实现的，实验过程中要注意避免空程差，在成的传动机构实现的，实验过程中要注意避免空程差，在读数过程中不退读。读数过程中不退读。 （3）由于声波在传播过程中有能量损失，因而随着接）由于声波在传播过程中有能量损失，因而随着接收端面收端面S 2 逐渐远离发射端面逐渐远离发射端面S1时，驻波的振幅也是逐渐时，驻波的振幅也是逐渐衰减的，但并不改变波腹、波节的位置，因而不影响对波衰减的，但并不改变波腹、波节的位置，因而不影响对波长的测量。只是注意每次移动接收器时，一定要移到各个长的测量。只是注意每次移动接收器时，一定要移到各个幅度为相对最大处，停止移动后再读数。幅度为相对最大处，停止移动后再读数。 （4）使用示波器时，亮度不能调得太大，以免损坏荧使用示波器时，亮度不能调得太大，以免损坏荧光屏。光屏。 第17页/共24页注意游标卡尺的正确使用注意游标卡尺的正确使用第18页/共24页 【预习思考题