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1、物理与电子科学学院 声速的测量声速的测量 物理与电子科学学院 声波声波是一种在弹性介质中传播的是一种在弹性介质中传播的机械波机械波。 20KHz20KHz20Hz20Hz 次声波次声波可闻声波可闻声波 超声波超声波 物理与电子科学学院 医学检查医学检查 声纳声纳 声速的测量在声速的测量在定位、探伤、测距定位、探伤、测距等应用中具有十等应用中具有十 分重要的意义。分重要的意义。 工业检测工业检测 探测器 裂纹 物理与电子科学学院 一、实验目的一、实验目的 1 1、学习用、学习用共振干涉法共振干涉法和和相位比较法相位比较法测定测定空气空气 中中的声速。的声速。 2 2、学习用、学习用时差法时差法测
2、量测量固体中固体中的声速。的声速。 3 3、了解压电换能器的功能及超声波的产生、了解压电换能器的功能及超声波的产生、 发射、传播和接受原理。发射、传播和接受原理。 4 4、进一步熟悉示波器的使用。、进一步熟悉示波器的使用。 物理与电子科学学院 物理与电子科学学院 声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只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，因此有取决于空气本身的性质，因此有 - -绝热系数，绝热系数，R-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-T-绝对温度绝对温度 二、实验原理二、实验原理 由此可见，气体中的声速由此可见，
3、气体中的声速 v v 和温度和温度 T T 有关，还与比热比有关，还与比热比 及及摩尔质量摩尔质量 有关，后两个因素与气体成分有关。因此，根据有关，后两个因素与气体成分有关。因此，根据 测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。 物理与电子科学学院 在标准状态下，在标准状态下，0 0 o o C C时，声速为时，声速为 v v o o 331.45m331.45ms s，显然在，显然在 t t o o C C时，干燥空气中声速的理时，干燥空气中声速的理 论值应为论值应为 由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播 的速
4、度是不同的的速度是不同的 。 物理与电子科学学院 测量声速最简单、最有效的方法之一是利用测量声速最简单、最有效的方法之一是利用 声速声速v v、振动频率、振动频率f f和波长和波长之间的基本关系，即之间的基本关系，即 信号发生器 驻波法和行波法 本实验是对本实验是对超声波波速超声波波速的测量。的测量。 物理与电子科学学院 驻波：具有相同频率、相同振幅和相同振动方向的两驻波：具有相同频率、相同振幅和相同振动方向的两 列波在同一直线上沿相反方向传播时叠加形成的波。列波在同一直线上沿相反方向传播时叠加形成的波。 相邻两波节或两波腹间的距离就是半个波长。相邻两波节或两波腹间的距离就是半个波长。 1 1
5、、共振干涉法、共振干涉法驻波法驻波法 物理与电子科学学院 超声发生器超声发生器S S 1 1 发出的声波，经空气传播到接收器发出的声波，经空气传播到接收器S S 2 2 ，S S 2 2 在接在接 收声波信号的同时反射部分声波信号。如果收声波信号的同时反射部分声波信号。如果S S 2 2 与与S S 1 1 严格平行，入严格平行，入 射波即在接收面上垂直反射，当射波即在接收面上垂直反射，当S S 1 1 和和S S 2 2 之间的距离之间的距离 L L 满足下式：满足下式： L= n L= n /2 /2 （ n n =1=1、2.2.）时，形成驻波）时，形成驻波。 S S1 1 发射发射 S
6、 S2 2 反射反射 L L L L 声压驻波分布声压驻波分布 声压声压 物理与电子科学学院 2 2、相位比较法、相位比较法行波法行波法 相位法是指比较相位法是指比较声源处声源处的声压与的声压与接收处接收处的声压的相位的声压的相位 来测定声速的方法。来测定声速的方法。 沿传播方向上的任何两点，其沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同振动状态相同( (同相同相: : 相位差为相位差为0 0) )或者说其或者说其相位差为相位差为2 2的整数倍的整数倍时两点间的距时两点间的距 离应等于波长离应等于波长的整数倍，即的整数倍，即 相位延迟量与传播的距离有：相位延迟量与传播的距离有： 物理与电子科学学院
7、如果将发射端和接收端输出的电信号分别分别输入到示波如果将发射端和接收端输出的电信号分别分别输入到示波 器，显示出李萨如图形。移动器，显示出李萨如图形。移动S2S2的过程中，图形从斜率为正的的过程中，图形从斜率为正的 直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。相位差相差直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。相位差相差，S2S2移动移动 的距离为的距离为/2/2，由此也可计算出波长。，由此也可计算出波长。 物理与电子科学学院 . .调节信号源的输出频率等于压电陶瓷的固有频率，达到驻调节信号源的输出频率等于压电陶瓷的固有频率，达到驻 波共振状态。记录此时的频率波共振状态。记录此时的频率, ,即为共振频率即为共振
8、频率f f共 共。 。 . .共振干涉法共振干涉法测声速测声速( (介质为空气介质为空气):):示波器置于观察波形状态示波器置于观察波形状态 , ,将将S2S2由近由近( (靠近靠近S1)S1)及远及远, ,逐次记下各振幅最大时逐次记下各振幅最大时S2S2的位置读的位置读 数数:x0,x1,x2,:x0,x1,x2,x9x9。 . .相位比较法相位比较法测声速测声速( (介质为空气介质为空气):):示波器置于观察李萨如图示波器置于观察李萨如图 形状态形状态, , 将将S2S2由近由近( (靠近靠近S1)S1)及远及远, ,逐次记下荧光屏上斜率正逐次记下荧光屏上斜率正 负变化的直出现时负变化的直
9、出现时S2S2的位置读数的位置读数:x0,x1,x2,:x0,x1,x2,x9x9。 . .时差法时差法测声速（测声速（固体介质固体介质） 选取三种长度的铜棒或有机玻璃棒。选取三种长度的铜棒或有机玻璃棒。（扩展内容，选做）（扩展内容，选做） 三、实验内容三、实验内容 物理与电子科学学院 注意事项注意事项 1.共振干涉法测量声速时，应尽量在最大 值位置处测量； 2.注意避免声速测定仪的回程差。 物理与电子科学学院 1.1.逐差法计算波长，得到超声波传播速度。逐差法计算波长，得到超声波传播速度。 2.2.计算超声波在空气中传播速度的公认值计算超声波在空气中传播速度的公认值，求出两种测，求出两种测 量方法得到的量方法得到的v v的相对误差的相对误差E E 3.3.计算不确定度计算不确定度 四、数据处理四、数据处理
