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1、1,声速的测量,2,声波是一种在弹性介质中传播的机械波，声波的测量在定位、探伤、测距等应用中具有十分重要的意义。一般使用的声波是超声波，超声波是具有较高频率（频率高于20KHZ），可以定向传播的机械波。本实验用来测量超声波在空气中传播的速度。,3,一、实验目的,1、学习测量空气中声速的原理和方法2、学习一种非电量的电测法3、学会用逐差法处理数据,4,二、实验仪器,低频信号发生器、声速测定仪、示波器、温度计,5,低频信号发生器,提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率,6,主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺,超声声速测定仪,7,声速测定仪,声速测定仪主要由两只相同的压电陶瓷换能器A和B
2、所组成，压电陶瓷换能器是将声波和电信号相互转换的装置。将A作为超声源，它与低频信号发生器相连接，将电能转化为声能，即从发射头的平面端产生的声波在空气中形成平面纵波；B作为反射面，同时也是接收端，把声能转化为电能，接收端与示波器相连，就可对接收端的声压信号进行观测。A和B间的距离可调，通过仪器上的游标卡尺测定。,8,示波器,示波器的x,y轴输入各接一个换能器，示波器上显示出李萨如图形,9,三、实验原理,超声波在空气中传播速度与其频率f和波长之间有如下关系：,f,超声波频率为声源振动频率，可从低频信号发生器所发生的正弦波的频率显示数据读出。,声波的波长测量可采用共振干涉法和相位法。,10,1、共振
3、干涉法驻波法,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。,驻波某些点的振动始终加强，其振幅是两列行波的振幅之和，这些点称为波腹；而另一些点的合振幅为零，这些点称为波节。相邻两波节或两波腹间的距离就是半个波长。,图中S1和S2之间的距离为n/2时才能形成驻波。,11,将声源所在位置定位坐标原点，在驻波场中，坐标为x的空气质点，它的位移y为,圆频率：2f 振幅：a 波数：k=2/ 声源与反射面间的距离：l,对于确定的l，当 时，振幅最大，处于波腹；,当 时，振幅最小，处于波节。,另外，当 时，波腹的振幅最小，实际上不能形成驻波；,当 时，波腹趋于无
4、穷，表示达到共振状态。,实际上，由于声波传播中的阻尼衰减，共振时的波腹只能达到有限的数值。,12,驻波场中空气质点位移图像不能直接观察到，但是由质点位移引起的声压却可以通过仪器加以观测。,声压就是空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强，根据声学理论，声压驻波可表示为,其中0为空气的静态密度。,通过比较发现，声场中空气质点为波腹的地方，声压为波节；而空气质点位移为波节的地方，声压为波腹。,压力,位移,13,形成驻波后的反射面处(x=l)，空气质点的位移恒为零，此处的声压恒为波腹，声压振幅为,当声波与反射面之间的距离l改变时，反射面处的声压振幅也随之改变，其数值在极大值与极小值间周期
5、变化，满足,反射处声压振幅的大小可通过示波器观测到， 随l周期性变化可以从示波器上观察，从而可以求出半波长/2。,14,2、相位法,李萨如图形：由两个相互垂直的简谐振动叠加形成。,相位法是指比较声源处的声压p(0)与反射处的声压p(l)的位相来测定声速的方法。,p(l)的位相总比p(0)的位相落后kl，分别将声源和反射处的声信号转换成电压信号后接到示波器的x轴和y轴上去，可以看到李萨如图形。,实验中由于输入示波器的是频率严格一致的两个信号，因此李萨如图形一般是稳定的椭圆。当相位差为0或时，椭圆变为倾斜的直线。测量时选择判断比较灵敏的直线形进行测量。以某一个直线位置作为测量的起点，相位差每变化即
6、距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）的直线变为负（正）的直线。,15,声波在弹性介质中传播的速度不仅由介质的物理性质决定，而且还与温度有密切关系。声波在理想气体中的传播速度为：,-绝热系数，R-摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度,在标准状态下，0oC时，声速为vo331.45ms，显然在toC时，干燥空气中声速的理论值应为,由上式可计算出任一温度t时，声波在理想气体中的传播速度。,16,四、实验内容,（一）用共振干涉法测声速,1、按图示接好线路,17,2、调节两换能器端面平行且铅直，然后锁定。,3、调节谐振频率,调节两换能器间有适当距离，改变信号发生器的频率（20-40
7、KHZ），并略微改变发射端位置，使示波器上出现最大振幅，换能器工作在谐振状态，信号发生器所显示的频率即换能器的谐振频率f。在此谐振频率f下测波长，可以提高测量灵敏度。,18,4、改变发射头与接收头之间的距离，由近而远，观察示波器，可看到示波器上显示的信号幅度发生周期变化，即由一个极大到极小，再变到极大，配合使用微调装置，依次确定好幅度极大值对应的发射头各位置li，并从游标尺上依次记下读数l1、l2、 l10，由于声波在空气中衰减较大，随着发射头远离接收头，振幅会越来越小，如图所示。,19,5、用逐差法处理数据，求出，计算出声速。,6、记下室温t，由公式 计算相应的理论值。,7、计算声速的百分误差。,提高实验数据利用率，减小随机误差的影响,20,（二）用相位法测声速,1、按图示接好线路,2、自拟实验步骤和记录表格,21,五、注意事项,1、仔细阅读教材中各仪器说明书，熟悉各旋钮的功能。2、信号发射器的信号输出幅度不要过大，避免仪器过热而损坏。3、调节仪器旋钮要轻缓，以免损坏。4、实验时要使低频信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率，并且在实验过程中保持不变。 5、换能器发射面和接受面要保持相互平行。6、使用游标尺测量移动距离时，必须轻而缓慢地调节，手勿压游标尺。,
