声速的测定实验报告（5篇）

声速的测定实验报告（5篇）声速测量实验篇一关键词超声波；测距；温度检测；单片机中图分类号：O422文献标识码：A文章编号：1671—7597（2024）041-136-011设计原理与方法1.1声波测距原理声波测距原理以声波在空气中的传播速度v已知为前提，测量声波从发射传播到设定障碍物所用的时间：Δt，根据如下公式算出初始测量点到设定障碍物的实际距离L：L=v×Δt（1）1.2声速计算方法本文采用由干燥空气中声速v的计算公式：v=v0（1+T/T0）1/2?（2）来计算声速，式中T（k）为环境温度即室温，v0=331.5m/s为干燥空气中声音的传播速度，T0=273.15K。然而本文考虑到在实际声音传播环境中空气会由于水蒸气等不完全是干燥空气，所以仅以上式（2）测量声速会带来较大误差。由此本文决定通过测定当时环境下的空气平均摩尔质量和比热比来减少空气湿度带来的误差，即声速v：v=331.5（1+T/T0）1/2（1+0.31r·Ps/P）1/2?（3）可用饱和蒸汽压力和温度的关系表中查出温度为T（K）时空气的饱和蒸汽压力Ps，从干湿温度计上读出相对湿度r，P为当时大气压力。2实验仪器与装置本文通过资料的查阅，认为可以通过超声波在传播过程中遇到障碍物后发生反射的原理，根据介质中超声波的传播速度，测量出超声波从波源起一直到被物体反射后重新到达波源处所用的时间，从而求出物体间待测距离。由此，本文设计以下种方案。2.1发射电路的设计在本文设计的发射电路中，传感器采用压电陶瓷传感器UCM40T（其脉冲信号的工作频率为40kHz，超声波换能器所需的40K方波信号由单片机的P1.0口输出）。2.2接收电路的设计在本文设计的接收电路中，本文将超声波调制脉冲变为交变电压信号，并且接头采用与发射头配对的UCM40R，在对接收探头接收到的信号进行放大滤波（总放大增益为80db）的过程中，采用途经CX20246A集成电路的办法。将中断请求信号设置为输出端7脚由高电平跃变为低电平的时刻，并将其送至单片机进行处理。2.3温度检测电路的设计为了便于计算本文实验时的超声波速度v=331.4+0.61×Tm·s-1，本文采用温度传感器检测本文实验环境下的温度。3数据测量与分析根据本文的实验，本文得到以下的数据（见表1）：表1实验中超声波装置测量的数据（单位：cm）对本文的实验数据的分析：1）本文观察数据可以得出，在标定距离为200cm-250cm的距离范围内，测量的数据误差具有较其他范围稍大的波动性，所以本方案仍然存在一定的近距离盲区，即2）从全程记录的16个数据来看，几乎所有的测量误差都在1cm-2cm，并且绝大部分都集中稳定在1cm。所以本文认为本方案的装置适用于200cm-500cm（即2m-5m）物体间距之间的测量。3）本文对450cm-490cm内的距离进行了多次的测试，发现他们的最大误差均不超过1cm，所以该方法在该距离范围内的重复一致性比较良好。4结论采用超声波测距法，设备较小，便于携带，适合于户外作业和运动作业。而且超声波在传播过程中超声波指向性强、能量消耗缓慢，在介质中传播较远，测量过程中具有线性度、稳定性和重复度好，抗干扰能力强等优点。在测定2m-5m范围内，理论误差可精确到1cm之间。同时限制实验最大可测距离存在四个因素：超声波的振幅、反射的质地、反射声波和入射声波的夹角以及接收换能器的灵敏度。为了增加测量的覆盖范围，减少测量误差，获得更小更精确的最小可测距离，本文建议使用多个超声波换能器分别作为超声波发射/接受的设计方法。而且，超声波属于声波范围，波速与温度有关，由此本文增加了对空气平均摩尔质量和比热比的修正，使得实验误差进一步降低。综上所述，本文认为方案二着眼于单片机设计的超声波发射接收测距装置具有很多优点，突出表现为结构简单、实用、价格低廉、精确度较高（误差较小）、稳定性较强等特点。适用于2m-5m范围内的物体间距的测量。参考文献声速测量实验篇二关键词：超声波；Arduino；物理；数字实验室中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148（2024）10-0059-4当物体振动时会发出声音，科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能等特性，在测距、测速等方面具有广泛应用。本文结合高中物理数字化实验开发实例，阐述如何利用Arduino平台实现超声波测距和数据采集，实现精确、直观、高效率的实验测量和数据处理。1超声波测距原理及方案对比超声波测距有两种常见方案，一种是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23页所示的方案，把超声波发射器件和接收器件分别放置在所测距离的起点和终点，在红外线遥控器件辅助下计算超声波从起点至终点的时间Δt，再根据s=v*Δt求得距离。另一种方案可称为“反射式”，是把超声波发射器件和接收器件并列安装在起点处，然后测得超声波从发射到经过终点反射回来被接受到的时间差Δt，再根据s=v*（Δt/2）求得距离。方案一的测量精度较高，但实验较繁琐、使用也不便，方案二的测试时间是方案一的两倍、理论上误差也翻倍，但使用较为方便、所需模块也更易于购置。因此，我们采用了方案二“反射式”测距方式。常见的“反射式”超声波测距模块有SR系列、US系列等，表1是我们试用过的几种模块的电性能参数，看上去都属于民用产品，差别并不大，因此网上的超声波测距应用都采用了常见且廉价的HC-SR04模块。但事实上HC-SR04模块和US-016模块并不能满足中学物理实验的必备要求，很多人都忽略了测量频率的问题，下面试分析之。如前所述，在高中物理必修Ⅰ第二章第5节《自由落体运动》教学中，研究自由落体加速度（重力加速度）是一个非常重要的课堂演示实验，传统上采用打点计时器在纸带上打点记录距离，测量的频率是50Hz，如果要用超声波测距代替打点计时器，那么测量频率同样必须达到50Hz，也就是说测量周期不能大于20ms。而几种模块不同的输出方式导致了他们实际输出效果的区别：（1）HC-SR系列模块的测量时序如图1，它的测量结果是以脉冲时长的方式输出的，导致测量周期是超声波从起点到终点传播时间的4倍以上，严重限制了测量频率的提高。为了便于理解，我们以测量一米的距离为例分析测量过程：首先单片机向模块发送10μs的高电平，然后模块发射8个40kHz超声波脉冲约耗时0.2ms，超声波传播至目标需时t=1m/（340m/s）=2.94ms，反射至接收器件又需2.94ms，最后模块向单片机输出一个宽度为5.88ms的高电平脉冲，单片机测得此脉冲宽度后再折算得到测量结果。整个过程约需12ms，再加上两次测量之间的间隔时间、其他运行步骤消耗时间、尤其是单片机与PC计算机数据通讯时间（实测建议不少于5ms），整个测量周期很难控制在20ms之内。换个说法，50Hz的测量频率使得测量距离被限制在一米以内，严重影响了实验的可操作性。尽管HC-SR04模块的标称量程达到4米，但这么长的距离会导致测量周期在50ms以上，不能达到实验的要求。（2）US-016模块的输出方式是模拟电平，即把距离转换为输出端口的电压值再由数据采集模块测量取值发送PC，它的转换过程中必然经过积分环节，最终实际效果虽然没有明确的测量周期限制但难以测量距离突变，从数据采集的曲线来看就是测量曲线被修饰圆滑了，出现了较大的高频失真。（3）US-100模块可采用UART输出模式（串口模式），工作过程简述如下：首先单片机向模块Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600耗时US-100模块的测量时序如图2，采用该模块进行超声波测距时，如果设定测量周期为20ms，考虑到测量间隔和其他时间，我们认为实际测量过程时间可以达到12ms，则最大测量距离可达340*12/2=2040mm，约为2米，比HC-SR04模块更符合重力加速度测量实验的需求。此外，US-100模块内带自动温度测量并对结果进行校正，也能有效提高实验对环境温度的适应性。从表2可以看出，温度对超声波速度的影响还是很大的，当温度从0变化到20摄氏度时，超声波速度变化量达到3.6%，已经不能忽视。所以，在反复测试对比后，最终决定采用US-100模块作为距离测量的传感器。2利用Arduino平台实现超声波测距和数据采集Arduino是目前风靡全球的开源电子创新平台，它本质上是一个经过易用性封装的AVR单片机系统，具有13个数字输入/输出端口和5个模拟输入/输出端口，可以通过外接传感器实现对各类物理量的测量和数据采集。结合专用的编程开发环境，能够快速简便地实现对传感器进行控制、数据采集并与PC计算机软件结合，实现数字实验室的功能。（1）系统硬件构成：我们采用ArduinoUno主控板控制US-100超声波测距模块，并通过USB连接线连接计算机，同时通过USB的5V电源给主控板和模块供电，架构清晰制作容易。为了方便使用，我们又把主控板和模块都安装在一个铝合金盒子里，使用时只需要把盒子放在测试处，然后通过USB连接线连接计算机即可。图3即系统框架示意图；图4和图5分别为各模块实物图和安装后的成品图。（2）系统软件设计和优化：由于超声波测距模块已经把发射、接收、计时整体设计在内，所以本系统的单片机程序很简洁，这也是采用成品测距模块的原因，主程序只负责触发模块、接收数据、向计算机转发数据三个环节。但想要得到比较稳定精确的实验效果还有许多问题需要解决，我们发现网络和杂志常见的一些测距方案或实验都缺乏必要的严谨性，本次设计重点思考并优化解决了如下几个问题：问题一，如何提高测量量程？如前所述，我们采用US-100模块进行超声波测距，摒弃了常用的HC-SR04模块，能够减少读取测量结果的时间，从而把量程扩大到2米左右，使之符合常见中学物理实验的要求。问题二，如何提高测量频率？为了进一步降低测量周期、提高测量稳定性，我们把Arduino向PC通讯常用的Serial.print命令改为Serial.write命令，每次发送四字节的二进制数据，前两字节为数据标志位，一方面可以作为起始位避免数据错位，另一方面第二字节还可以作为扩展位以提供功能扩展。后两字节是二进制的测量结果数据，并设定传输波特率为115200，使数据传输时间减少到0.27ms，向计算机实际通讯时间小于一毫秒，从而进一步减小测量和通讯所需时间，保证测量频率为50Hz时具有足够冗余的时间，保障了实验的稳定性。问题三，如何最后是时间比较环节，通过反复测试的校正参数保证了整个周期为20ms，实测误差不精确控制测量周期？测量周期的计时原则上可以由上位机或下位机决定，但实际上Windows作为多任务操作系统根本难以保证毫秒级的时间稳定性，而单片机从架构上来说就具有较好的时间稳定性，因此我们设定由单片机程序进行测量周期的计时和比较。单片机程序的各个步骤都有一些微秒级的操作时间，这个时间是固定的，但唯有单片机与计算机通讯的命令受计算机影响时间稳定性较差，有些类似程序没有考虑周全导致程序整体的时间精确性达不到要求。我们的解决方案是把初始计时放在程序之首，然后就是数据发送环节，之后是数据采集环节，大于0.05%。（3）核心代码：3PC数据采集与图形化显示程序上述Arduino系统已经完成了超声波测距、数据采集并向计算机发送的工作，最后还需要通过一定的Windows程序接收数据、保存数据，并能以图形化显示。为此，我们用Vb6.0编写了数据接收和显示程序，并命名为“GeekFlash数据采集器”，如图6是程序的运行界面和某次动态测距的曲线图。限于篇幅，PC端程序不做详细说明。4超声波测距与采集在高中物理实验中的实践案例采用本系统测量重力加速度实验的一组数据如表3所示，限于超声波测距模块的精度（实测在+-1mm左右），去除首尾无效数据，所测得的重力加速度在9.7～9.8左右，学生不仅可以通过图像直观了解物体下落过程位移随时间变化的特点，也可以根据现场采集的数据计算当地重力加速度值，在实验误差范围内，其精确度、直观性以及实验效率均大大优于打点计时器的效果。（图7）参考文献：[1]程晨。Arduino开发实战指南：AVR篇[M].北京：机械工业出版社，2024.2声速测量实验篇三根据天津市委八届三次全会提出的“三步走”战略目标和五大战略举措，以建设世界名河为目的，海河综合开发改造工程正在紧张有序地建设实施。海河堤岸改造是本工程的重要组成部分之一，又是先期实施的基础工程，该工程从北运河的北洋桥至海河外环线桥，河道全长约20km，左右两岸累计堤岸长约40km，起步区段为慈海桥至北安桥段和琼州道至海河大桥段。按照海河综合开发规划，其堤岸工程断面大多采用退台式护岸，需对现状护岸进行改造。刘庄桥下游段堤岸断面在高程2.0m（大沽高程，下同）处设亲水平台，亲水平台与现状地面之间设直墙式护岸，亲水平台与河岸边多采用重力式挡土墙或板桩式护岸。该工程段(右岸)在埋深0～18m范围内所涉及到的地层为第四系全新统松散堆积物，自上而下依次为：⑴人工填土层（rQ）：全区分布，该层由杂填土和素填土组成，层底高程-0.51～2.00m。⑵古河道、河漫滩冲积相新近沉积层（alQ43N）：全区分布，该层岩性变化不大，主要由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土及淤泥质粉土透镜体，层底高程-7.18～-6.54m。⑶第四系全新统中部海相层（mQ42）：全区分布，岩性由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土透镜体，层底高程-12.45～-10.53m。⑷第四系全新统下部陆相沉积层（alQ41）：岩性由粉质粘土及粉土组成，该层未揭穿，可见厚度大于7.00m。依据委托单位提供的设计及施工资料，本段地连墙总长度为308.33m，共分18个槽段，四种建筑类型，本次检测其中一种类型（即I型），该类型地连墙厚0.6m、宽6.0m、深13.5m。按照国家和天津市的有关规定，并考虑本工程的具体情况和设计要求，确定检测6个槽段，检测比例为33.3%。检测位置见图1（图中A、B、C为各检测段号三个预埋声测管）。2检测原理与方法以介质的弹性特征为基础，进行弹性波测试，以求得筑墙介质的物理力学指标。当弹性波在介质内传播时，与介质本身的物理力学性质有着密切的关系，通过测取弹性波的波列记录，可以取得一系列运动学和动力学参数，分析整理这些参数，来判定介质质量的优劣，并提供定量依据。理论分析和实践经验表明，地连墙混凝土质量较好时，其声波速度值较高或波幅值较大(信号强)，且波速离散性较小；而混凝土质量存在缺陷(离析、密实度差、强度低)时，其声波速度值较低或波幅值减小(信号弱)，且波速离散性较大。检测采用声波穿透法，测试原理见图2。其中由发射换能器激发的声波经水的耦合传播到声测管，再在墙体混凝土介质中传播，经接收端的声测管由水耦合到接收换能器。根据本次检测任务要求和现场各槽段声测管的分布特点，施测时在每一槽段的三个预埋管中放入三个谐振频率为50kHz的声波换能器，中间管(图1中B号管)放置发射换能器，两侧管(图1中A号管和C号管)放置接收换能器。首先将三个换能器置入管底并使其位于同一高程，由下而上实施观测，测点距为0.25m，三探头同步提升并进行测试，直至管口。测试仪器为国产WSD—2型数字声波分析仪及其附属设备。3数据整理与分析将实测数据进行归纳整理，按照式(1)计算声波速度Vp(m/s)。Vp=L/T………………(1)式中：L——发射管与接收管外壁之间的水平距离(m)；T——声波在距离L内的走时(s)。根据求得的声波波速值绘制速度(Vp)——深度(H)曲线，并按照下列方法和步骤确定声速临界值，以此判定声速异常区。（1）将同一检测剖面各测点的声速值由大到小依次排序，即Vp1≥Vp2≥…≥Vpi≥…≥Vpn-k≥…≥Vpn-1≥Vpn………………(2)式中：Vpi——按序排列后的第i个声速(Vp)测量值；n——测点数；k——逐一去掉式(2)Vpi序列尾部最小数值的数据个数。（2）对逐一去掉Vpi序列中最小数值后余下的数据进行统计计算。当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括Vpn-k在内的余下数据Vp1～Vpn-k按下列公式进行统计计算：Vp0=Vpm－λSx…………(3)…………………(4)………(5)上述式中：Vp0——异常判断值；Vpm——n－k个数据的平均值；Sx——n－k个数据的标准差；λ——由表1查得的与n－k相对应的系数。（3）将Vpn-k与异常判断值Vp0进行比较，当Vpn-k≤Vp0时，Vpn-k及其以后的数据均为异常，应去掉；再用数据Vp1～Vpn-k-1并重复式(3)～(5)计算步骤，直到Vpi序列中余下的全部数据满足：Vpi＞Vp0，此时，Vp0为声速的异常临界值VpD。（4）声速异常时的临界值判据为：Vpi≤VpD，当其成立时，声速可判定为异常。（5）当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性较小时，宜采用声速低限值判断：Vpi＜VpL，其中Vpi——第i个测点声速(m/s)；VPl——声速低限值(m/s)，由预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果并结合实际经验确定。当上式成立时，可直接判定为声速低限值异常。表1统计数据个数n－k与对应的λ值n-k202224262830323436384042444648λ1.641.691.731.771.801.831.861.891.911.941.961.982.002.022.04n-k505254565860626466687072747678λ2.052.072.092.102.112.132.142.152.172.182.192.202.212.222.23n-k80828486889092949698100105110115120λ2.242.252.262.272.282.292.292.302.312.322.332.342.362.382.39n-k125130135140145150160170180190200220240260280λ2.412.422.432.452.462.472.502.522.542.562.582.612.642.672.69（6）当采用斜率法的PSD值作为辅助异常点判据时，PSD值应按下列公式计算：PSD=K·T…………(6)………(7)T=Tpi－Tpi-1………(8)式中：Tpi——第i个测点的声时(μS)；Tpi-1——第i－1个测点的声时(μS)；Zi——第i个测点的深度(m)；Zi-1——第i－1个测点的深度(m)。根据PSD值在某深度处的突变，结合波幅变化情况，进行异常点判断。（7）当采用信号主频值作为辅助异常点判据时，主频——深度曲线上主频值明显降低，可判定为异常。综合上述分析，地连墙混凝土质量异常区应结合各声学参数临界值、PSD判据、混凝土声速低限值以及混凝土质量可疑点加密测试后的结果等综合判定，并确定混凝土缺陷的范围和大小。4成果分析与质量评价综合分析声速(波幅)——深度曲线图(典型曲线见图3)并结合施工资料，对地连墙混凝土内部结构进行质量评价。（1）地连墙缺陷：以声速临界值（或声速低限值）、声速平均值以及波幅临界值判据进行综合分析判定。（2）地连墙混凝土均匀性按声速离散系数Cv（Cv=Sx/Vpm×100%）可分为A、B、C、D四级(见表2)。（3）根据地连墙混凝土声学特征及其均匀性，是否存在缺陷以及缺陷的严重程度，将地连墙的内部结构质量分为四类：表2声速离散系数级别表混凝土均匀性等级A级(均匀)B级(一般)C级(较差)D级(极差)Cv(%)Cv284.574.524.370.112.41C30整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级由本测段地连墙混凝土预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果并结合本市实际测试经验确定该地连墙混凝土质量评价的声速低限值为4.00km/s。4.484.110.204.46段11-I/3013.5>284.744.494.420.163.37C30整体质量较好，其中BC剖面在深8.0～8.5m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A～B级4.243.850.225.19段11-I/3113.5>284.654.504.300.183.87C30整体质量较好，其中AB剖面在深0～0.25m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级4.364.130.122.75段12-I/359.00>284.424.424.150.143.17C30整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级。因C孔堵塞严重，BC剖面没有进行检测////段13-I/3613.5>284.444.584.200.122.70C30整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级4.724.380.183.81段13-I/3713.0>284.714.584.360.183.82C30整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级4.464.200.132.91段13-I/389.00>283.974.173.220.348.56C30质量一般，其中AB和BC剖面均在深0～1.0m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅲ类，均匀性B级4.373.510.388.69段14-I/3911.0>284.604.514.360.122.61C30整体质量较好，其中BC剖面在深0～0.5m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级4.434.100.163.61段15-I/4113.5>284.934.934.290.408.11C30整体质量较好，其中AB剖面在深0～0.75m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性B级4.944.170.306.07通过对6个槽段计9个测区的检测成果综合分析和评价可得出如下检测结果。（1）被检测槽段中，混凝土内部结构整体优良（Ⅰ类）4个，占所检测槽段的44.4%；整体质量较好（Ⅱ类）4个，占所检测槽段的44.4%；整体质量一般（Ⅲ类）1个，占所检测槽段的11.2%。（2）被检测槽段混凝土内部结构整体优良或较好，局部槽段质量一般，在检测的剖面中多存在声测管管口附近混凝土质量较差。5结语以上详细介绍了声波穿透法在地连墙质量检测中的应用及其数据处理和分析方法，由此可以看出，该法具有经济、无损、快速、便于分析等优点，因而在地连墙质量检测中得到较为广泛的应用。目前，应用地球物理探测技术对地下隐蔽工程的无损检测已经取得了很大的进展，已由试验研究阶段转向实用阶段，并在工程实践中不断得到完善和提高。但由于地下隐蔽工程的施工工艺和填筑材料的不同，其存在的质量问题也不尽相同，因此对地下隐蔽工程质量的无损检测难度也会更大，这就要求我们研究或寻找多种检测技术或方法，综合开发，综合应用，综合分析，有效地提高地下隐蔽工程质量检测的精度，并查明工程内部的质量隐患类型和位置，更好地为工程建设服务，这将是我们今后努力的方向。参考文献[1]刘康和。超声回弹综合法的工程应用[J].长江职工大学学报，2024,(1).[2]杨萍，刘康和。混凝土非破损检测技术应用与探讨[J].电力勘测设计，2024,(2).声速测量实验篇四关键词：声速测量；驻波法；相位比较法；数据处理；Origin软件；拟合直线中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044（2024）15-0261-03Abstract：Dataprocessingmethodsofsoundvelocitymeasurementexperimentfrequentlyusethegradualdeductionmethodandtheleastsquaremethod，butneedmorecalculation，andtheprocessiscomplicated.Inordertofacilitatethedataprocessing，inthispaperthevelocitymeasurementdataprocessingusingofOriginsoftwarewerestudied.Theresultsshowthatthefittinglineofstandingwavemethodandphasecomparisonmethodisequally，alsoshowthatthedatdofmeasuringsoundvelocityofthetwomethodshavegoodlinearrelationship.Butthemeasurementerrorofthephasecomparisonmethodislessthanthestandingwavemethod，illustratethephasecomparisonmethodonthesoundvelocitymeasurementisbetterthanthatofstandingwavemethod，butmaybecausedbythedataintervalmadegreatwhenusethephasecomparisonmethodtomeasure.whichneedsfurtherproof.Keywords：soundvelocitymeasurement；standingwavemethod；phasecomparisonmethod；dataprocessing；originsoftware；fittingline1概述声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性机械波。频率低于20Hz的声波称为次声波，频率在20～20000Hz的声波称为可闻波，而超过20000Hz的声波称为超声波[1]。超声波具有波长短，易于定向发射等特点，使得在超声波段测量声速比较方便。实际应用中超声波传播速度对于超声波测距、定位、液体流速测定、溶液浓度测定、材料弹性模量测定等方面都有重要意义[2]。声速测量方法可分为两类：第一类方法是根据关系式V=l/t，测出传播距离l和所需时间t后，即可计算出声速；第二类方法是利用关系式V=λf，测出其波长λ和频率f也可计算出声速V[3-4]。本文用到的驻波法和相位比较法属第二类方法，即利用声速和波长、频率的关系测量声速。2实验原理2.1驻波法实验装置如图1所示，从发射换能器S1发出一定频率的平面波，经过空气传播到接收换能器S2，一部分被接收并在接收换能器电极上有电压输出，一部分向发射换能器方向反射。如果换能器的接收平面和发射平面平行，则反射波和入射波将在两端面间来回反射叠加[5-6]，由波的干涉理论可知，两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波，驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅最小的点称为波腹。由于声波传播过程中出现能量损耗，两列波形成的驻波并非理想驻波，但相邻波腹（或波节）之间的距离刚好等于半波长的整数倍，即示波器观察到的波形中相邻振幅极大值（或极小值）之间的距离为半个波长[7]。改变两只换能器间的距离l，同时用示波器监测接收换能器上的输出电压幅值变化，可观察到电压幅值随距离周期性的变化。若保证声波频率f不变，使用测试仪上的数显尺记录各相邻电压振幅极大值的位置，即可求出声波波长λ，则声速为因此，只要测出声波频率f和波长λ，就可利用（1）式计算出声速[8]。2.2相位比较法波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。声波在传播过程中各个点的相位是不同的，当发射端与接收端的距离发生变化，入射波和反射波的相位差也变化[9]。将发射换能器和接收换能器分别与示波器的Y1、Y2通道连接，那么在示波器的Y1、Y2方向就分别输入了两只换能器所在处的声波的简谐振动信号，这两个简谐振动的振幅、频率相同，干涉后形成的图形称为李萨如图形。相位差不同时，李萨如图形也不同，如图2所示。实验时改变S1、S2之间的距离l，相当于改变了入射波和反射波之间的相位差，在示波器上可观察到相位的变化，即李萨如图形的变化。当S1和S2之间的距离变化刚好等于一个波长λ时，则发射与接收信号之间的相位差也正好变化一个周期（即φ=2π），相同的图形就会出现。实际上，从任何一个状态开始观察，只要李萨如图形复原，S2移动的距离就为一个波长，但为了取得较为准确的实验结果，实验时以李萨如图形变为直线时为记录点。只要准确观察记录相位差变化一个周期时S2移动的距离，即可得出其对应声波的波长λ，即可利用公式（1）计算出声速V[10-14]。2.3空气中声速的理论值空气中的声速与环境温度和湿度有关，若只考虑温度的影响，声速的理论计算式为：其中t为环境温度，采用摄氏温标，T0=273.15K，V0为0℃时的声速，对于空气介质V0=331.45m/s。根据（2）式可计算出t℃时空气中声速的理论值。3数据原始记录根据前述实验原理，声速测量时首先要测量环境温度t，本次实验的环境温度t=13.2℃。其次是测试系统的最佳工作频率，如表1所示。用驻波法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使干涉波形的振幅达到极大值，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，依次记录振幅极大值时数显尺的读数l2、l3、……、l12，如表2所示。用相位比较法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使李萨如图形出现一、三象限斜直线，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，每出现5次一、三象限斜直线时记录一次数显尺读数，分别记为l2、l3、……、l6，如表3所示，这样两个相邻数据之间的差值为5个波长的长度。4数据处理及分析4.1空气中声速理论值环境温度为13.2℃时，声速的理论值：=339.364m/s4.2驻波法设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=λ/2，x=i，打开Origin软件后，界面上会出现两列空白数据表格A（X）、B（Y），分别输入1～12和l1～l12的值，以i为横坐标，li为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图1所示，拟合报告如表4所示。从图1中可以看出拟合直线和理论曲线符合得较好，即i和li具有严格的线性关系，这也可以从拟合报告中看出，因为关联系数r=0.99999，非常接近于1，所以理论曲线接近于直线。拟合报告中b=λ/2=4.76449，所以波长λ=9.52898≈9.529mm。因此声速V=λf=9.529×35.928=342.358m/s与理论值的误E=（V-Vs）/Vs=0.88%。4.3相位比较法设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=5λ，x=i，打开Origin软件后，界面与驻波法一样，在数据表格A（X）、B（Y）中分别输入1～6和l1～l6，以i为横坐标，li作为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图2所示，拟合报告如表5所示。从图2中可以看出相位比较法的拟合直线效果与驻波法一样，因为二者的关联系数r=0.99999，非常接近于1，所以相位比较法测声速时也可以得到较好的结果。拟合报告中b=5λ=47.39303，所以波长λ=9.478606≈9.479mm。因此声速V=λf=9.479×35.928=340.562m/s与理论值的误差E=（V-Vs）/Vs=0.35%。5结束语本文利用Origin软件对声速测量的实验数据进行了处理，从结果上来看，驻波法和相位比较法测声速在直线拟合时效果都较好，因为二者的关联系数r一样，所以两种方法测得的实验数据都具有良好的线性关系。但两种方法测得声速实际值与理论值的误差不一样，相位比较法的误差小一些，说明相位比较法比驻波法在测声速上具有优势。但也可能是数据间隔较大引起的，驻波法的数据间隔是半波长，相位比较法的是5个波长，这点有待笔者进一步证明。参考文献：[1]李相银。大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2024.[2]刘书华，宋建民。物理实验教程[M].北京：清华大学出版社，2024.[3]杨述武，赵立竹，沈国土。普通物理实验1-力学、热学部分[M].北京：高等教育出版社，2024.[4]吴定允，常加忠。大学物理实验[M].河南：河南科学技术出版社，2024.[5]郑庆华，童悦。声速测量实验的理论分析[J].宜春学院学报：自然科学，2024，28（4）：44-46.[6]冯登勇，王昆林。声速测定实验不确定度、误差之比较研究[J].大学物理实验，2024，27（1）：88-91.[7]张俊玲。驻波法测量声速实验的系统误差分析[J].大学物理实验，2024，25（5）：81-83.[8]刘石劬。声速测量及不确定度分析[J].大学物理实验，2024，26（4）：99-103.[9]王山林。关于声速测量实验的研究与设计[J].廊坊师范学院学报：自然科学版，2024，12（1）：45-46.[10]王红晨，卞之。基于LabVIEW的声速测量[J].华中农业大学学报，2024，28（4）：504-506.[11]张涛，黄立波，张永元，等。空气中声速测量的实验研究[J].西安科技大学学报，2024，24（4）：518-521.[12]眭聿文。声速测量实验中声波的研究[J].西华大学学报：自然科学版，2024，30（1）：52-55.声速测量实验篇五关键字：高速公路；病害；超声回弹法0引言超声回弹综合法是对混凝土强度进行无损检测的比较常用方法之一，由于采用了两种非破损检测手段，在一定程度上可以相互祢补单一检测方法的缺陷和不足，因此具有较小的误差和较高的检测精度。随着我国的大批既有桥梁相继进入老化时期，桥梁检测与桥梁建设同等重要。超声回弹综合法应用也最广泛。超声回弹综合法借助于混凝上试块的抗压强度和非破损参数间的相关关系建立的曲线，即超声回弹综合法测强曲线，再根据实际回弹和超声结果推断结构混凝上强度。1无损检测技术传统的无损检测技术得到了较大的发展，目前已有超声回弹法检测、红外检测、冲击回波检测、光干涉，脉冲雷达、振动试验分析等。传统的检测方法一般可以对桥梁的外观及部分结构特性进行监测，可以对桥梁局郎关键构件，节点可以进行较为合理的损伤的判断。回弹法、超声回弹综合法为国内常用的两种无损检测混凝土强度方法。由于采用了两种非破损检测手段，在一定程度上可以相互祢补单一检测方法的缺陷和不足，具有较小的误差和较高的检测精度，与钻芯法、后装拔出法、贯入阻力法、剥离法和折断法等半破损检测方法相比，无损检测方法最大的优点是对结构或构件不构成物理破坏，其次还具有成本低、操作简便、工作量小等特点。超声回弹综合法顾名思义，就是综合两者，从表面弹性和塑性性能与密实度、孔隙等内部状况两方面综合对构件或结构性能进行评价，提高了单一物理量无损法检测混凝土强度的精度。2试块制作实验试件采用150mm标准试件，钢模振动成型，强度等级均为C40,每个实验水平一组试件，六块标准试件一组，共15组90块试件，全部试件(除养生条件对比试件外)都采取28d标准养生。制作混凝土的原材料采用江苏地区常用的材料，水泥采用江苏地区的32.5和42.5强度等级的普