声速测量一、 实验项目名称：声速测量二、 实验目的1•学会测量超声波在空气中的传播速度的方法2•理解驻波和振动合成理论3•学会逐差法进行数据处理 4•了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力三、实验原理声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为：九二f 可见，只要测出声波的频率f和波长九，即可求出声速f可由声源 的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长根据超声波的特点，实验中可以采用几种不同的方法测出超声波 的波长：1. 驻波法（共振干涉法）将声波信号变为电压信号后，送入如右图所示，实验时将信号 发生器输出的正弦电压信号接到 发射超声换能器上，超声发射换 能器通过电声转换，将电压信号 变为超声波，以超声波形式发射 出去接收换能器通过声电转换, 示波器观察由声波传播理论可知，从发射换能器发出一定频率的平面声波， 经过空气传播，到达接收换能器如果接收面和发射面严格平行，即 入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波相互干涉形成驻波此 时，两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长的整数倍在声驻波 中，波腹处声压（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）最小，而波节处声压最大。
当接收换能器的反射界面处为 波节时，声压效应最大，经接收器转换成电信号后从示波器上观察到 的电压信号幅值也是极大值，所以可从接收换能器端面声压的变化来 判断超声波驻波是否形成移动卡尺游标，改变两只换能器端面的距离，在一系列特定的距离上，媒质中将出现稳定的驻波共振现象，此时，两换能器间的距离 等于半波长的整数倍，只要我们监测接收换能器输出电压幅度的变化, 记录下相邻两次出现最大电压数值时（即接收器位于波节处）卡尺的 读数（两读数之差的绝对值等于半波长），则根据公式：九二fv就可算 出超声波在空气中的传播速度，其中超声波的频率可由信号发生器直 接读得2. 相位比较法实验接线如下图所示波是振动状态的传播，也可以说是位相的 传播在声波传播方向上，所有质点的振动位相逐一落后，各点的振 动位相又随时间变化声波波源和接收点存在着位相差，而这位相差 则可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦 交变电压信号的位相关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观 察信号发辛器位相差申和角频率O、 传播时间t之间有如下关 系：9=®.t同时有，® = 2兀/，t = ，九=Tv （式中T为周期）代入上式得：9 =犁九当 / =必.2 （n=1， 2， 3，...）时，可得9 = n兀。
由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接 收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即①=2n）实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变 化当相位差改变n时，相应距离i的改变量即为半个波长根据波 长和频率即可求出波速四、实验仪器声速测量仪、示波器、信号源五、实验内容及步骤1、 测量声速测定仪的共振频率:不断改变信号源所产生的频率， 观察波形2峰值的变化通过旋转鼓轮观察波形2的峰值，当旋转 鼓轮前进或倒退，2波形的最大峰值均减小，则此时为共振频率2、 用驻波法（共振法）测声速：示波器采用YT模式，记录节点 的位置，节点处振幅为零即声压最大，对应的振幅最大，通过旋转鼓轮观察波形2 的峰值，当旋转鼓轮前进或倒退，2波形的最大峰值均 减小，则此目标为节点位置，记录此时的刻度，记为第一个节点，用 同样的方法寻找下一个节点，直到第10个3、用相位比较法（李萨如图形法）测声速：示波器转换成XY模 式，通过旋转鼓轮找直线图形，记录此时的刻度，依次记录10个相 同形状的直线的位置六、数据记录及处理（一定要有数据计算的具体步骤，要进行不确定度的计算）1、驻波法 f=37.3969KHz项目S坐标（mm）XXXX2XXXXXXi51 891256 275361 571465 728570 152675 451779 483884 029989 3131U93 428逐差（5Ax）X —XX —XX —XX —XX —X6 123 567 223 2088 322 4589 423 58510 523 2765九=」0&■-'少2 = A X47.1246.41644.91647.1746. 552仇的平均值— 46.4348 。
琦乃/細徹A2严至严"血" 咚締滿站 爆叮*胡如f「：啪人5詔加= 0、igjJT"财㈢衣寸亍f r會8$赢不駅N傕列覚"•"什"z”・p= X、f = 3^1 衲"k J Vb严h 刖 2；f严的斶翳切叨M可喲阴（影奶用驻波法Q测得 V=347.3035 (m • s-i)Q不确定度表达结果V= (347.3035 ±0.0093) m ・ s-iQ相对误差为1.1367%二心"f孑卒「够棘达¥=■〒丈％电i刃亦丄恥口购州斤 沁吐極理伦值 心卿冲曲磊 册处阿", 椒痒护也怦刘鹅“以滋2、 相位法 f=37.3969KHz项目S坐标（mm）XXXX2XXXXXXi94 1392103 7373112 2454121 7195131 566140 0917149 9658159 5269168 1091U177 815逐差（5 x）X —XX —XX —XX —XX —X6 145 9527 246 2288 347 2819 446 3910 546 2555入二 5^x45.95246.22847.28146. 3946. 2555入'的平均值 46.4212 瞇不缶綻仗临uo,泊州创 紡不石渝心姙航初*=仇MT"H打人厶岭如“士％用©对亍七/碓不祈訓汆"川⑷厂©心辿攀=%2$孕2胪椚?-A'f 3说牛巧沪间护壮fb，ma。
诃＜ 乙嫌"J打们『2D巧叫£:工釈—3十吋讪M競後肿yj新磚丿M二aJ号攻+总常 \ 心傅岳二仇/外必•:必幕达"牡u厂0 41如t 4川D必 @切他-弭卅炉/C 0应対擴务血罟峑M儿\减用驻波法Q测得 V=347.2003(m • s-i)Q不确定度表达结 果V= ( 347.2003 土0.0109) m • s-iQ相对误差为1.1067%七、实验结果分析与小结误差分析通过计算发现，两种方法声速测量值都比理论值偏大我认为有 以下几个原因：1、测量误差，读数时不够精确，观察波形峰值时存在误差2、 旋转鼓轮时速度过快，且有部分数据存在螺距差3、仪器本身存在的误差4、观察李萨如图像时图像较小，观察重合时导致误差很大5、空气中含有水蒸汽及其它杂质，声音在这些物质中的传播速 度都要比在空气中的传播速度大实验感想通过这次实验，我学习了声速测量的相关原理当然，在其中也 遇到了很多问题比如在操作过程中示波器在的2 波形超过了屏幕， 通过调节位置和格数按钮使其全部显示在屏幕上在读数时也想起了 螺旋测微计读数方法，他比游标卡尺更精确了解了压电换能器的工 作原理，换能器要在谐振频率条件下进行声速测定，因为在谐振频率 下，反射面之间的声压达极大值。
这样从示波器上观察到的电压信号 幅值为最大，从而更利于观察在实验过程中必须有耐心，比如用驻波法确定节点位置时必须慢 慢来，不能调节太快要消除螺距差就要注意单方向旋转对于驻波法和相位比较法也有了一个大概的了解和比较声速测 量中的驻波法是观测声波与其反射波所形成的驻波由于，改变半个 波长的传播路程,驻波的波幅会变化一个周期相位法是比较接收波 与发射波的相位差，在示波器上形成李萨如图但我认为两种方法都 是用同样仪器完成，所以从本质上来说没有区别对于科学原理和现 象，我们也应该从不同的角度去验证他的正确性实验之后，我又有了一点思考共振频率虽然是固定的，但是作 为我们测量的准确性来说，我觉得也应该多次测量这种测量声波速 度的方法，对于一切以波的形式传播来说，是不是都可以测量他的速 度呢这种实验模式对我们独立思考做事的能力会有很大提升八、 附上原始数据。