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1、声音是由于声源的振动而产生的，它通过周围弹性媒质的振动向外传播而形成声（波纵 波）。声波的波长、强度、传播速度等是声波的重要性质，其中声速的测量在实际应用中有着 十分重要的意义。声速可以利用它与频率和波长之间的关系v = f ）来测量，其中波长的测量是解决问题 的关键。既然声音是以波的形式传播，就有可能利用驻波法测定其波长，进而确定其波速。 其中共鸣管就是测定声音在空气中传播速度的一种装置。频率在2X104108Hz之间的声波称为超声波，它具有波长短、能定向传播等优点。超声波在测距、定位、测液体流速、测材料弹性模量以及测量气体温度瞬间变化等方面有着 广泛的应用。本实验还将利用声速测量仪测定超声
2、波在空气中的传播速度，通过本实验可以 进一步了解声波在空气中传播速度与气体状态参量的关系以及超声波产生和接收的原理，加 深对相位概念的理解等。一目的和要求1. 进一步熟悉信号发生器和示波器的使用；2. 了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解；3. 用相位法和共振法测定超声波在空气中的传播速度。二. 原理声波的传播速度v与声波频率f和波长九的关系为：v = Xf（11.10）可见，只要测出声波的频率和波长，即可求出声速。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. 相位法：波是振动状态的传播，也可以
3、说相位的传播。沿传播方向上的任何两点，如果其振动状 态相同（同相）或者说其相位差为的整数倍，这时两点间的距离应等于波长的整数倍， 即l 二 n 九（11.11）利用式（11.11）可精确地测量波长。由于发射器发出的是近似于平面波的声波（图11-5）,当接收器端面垂直于波的传播方 向时，其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置使 得接收到的信号与发射器激励信号同相。继续移动接收器，直到接收的信号再一次和发射器 的激励电信号同相时，移过的距离必然等于声波的波长（注意：由于示波器、换能器等产生 的相移，实际上并不一定和声源同相，总是有一定的相位差，但这对于实验中波长的
4、测量并 无影响）。 用双线示波器直接进行相位 比较： 为了判断相位以测定波长，可以 利用双线示波器直接比较发射器信号 和接收器信号。沿传播方向移动接收 器寻找同相点即可实现。如图 11-2 所示。 李萨如图形法：如图 11-3 所示，利用图形寻找 同相或反相时椭圆退化为右或左钭直 线的点，其优点是直钭线情况判断相 位差最为敏锐。2.共振法：如前所述，由发射器发出的声波 近似于平面波。经接收器反射后，波 将在两端面间来回反射并且叠加。叠 加的波可近似地看作具有驻波加行波 的特征。由纵波的性质可以证明，当(a)相位比鮫法接线图相位比较图11-2用相位比较法测波长援收器发射器0)李萨如图形法接线图代
5、)不同相位差时的李萨如图形图11-3用李萨如图形法测波长接受器端面按振动位移来说处于波节时，则 按声压来说是处于波腹。当发生共振时，接 收器端面近似为波节，接收到的声压最大， 经接收器转换成的电信号也最强，声压变化 和接收器位置的关系可从实验中测出(图 11-4)。当接收器端面移动到某个共振位置 时，如果示波器上出现了最强的电信号，继 续移动接收器，将再次出现最强的电信号， 则两次共振位置之间的距离即为/2。接收器发射器三.仪器设备示波器y地声速测量仪二(a)共振法接绽图=信号发生器2/2 2/2 2/2(b)声压与接收器位苴的关系图11-4用共振法测波长仪器设备包括SW-1型声速测量仪，CA
6、8020A型双踪四线示波器,EE164型函数信号发生器/计数器，干湿差湿度计等。12 6 4 5_2.压电陶瓷管3.可移动支架4.变幅杆5.电缆线6 固定支架图11-5声速测量仪示意图相同时振幅达最大值，该振动传递给变幅杆，SW-1型声速测量仪结构如图11-5所示。它实际上是超声波发生器（发射器）和接收器 的有机组合。超声波发生器利用压电体的逆 压电效应，在信号发生器产生的交变电压下，接收器 使压电体产生机械振动，而在空气中激发出 超声波。本仪器把锆钛酸铅制成的压电陶瓷 管（又称压电换能器）粘接在合金铝制成的 阶梯形变幅杆上，将它们与信号发生器连接 即可组成超声波发生器。当压电陶瓷处于一 交变
7、电场时，会发生周期性的伸缩，交变电 场频率与压电陶瓷管的固有频率（40kHz） 使其产生沿轴向的振动，并通过增强片的端面在空气中激发出超声波。超声波波长很短（仅 约数毫米），定向发射性能好，又由于增强片的直径比波长大得多，故可近似认为该发射器发 出的超声波是平面波。超声波的接收器则是利用压电体的正压电效应，将接收到的超声振动转化为电信号。为使此电信号增强，经选 接收器被安装在可移动的机构上，这个机 构包括可移动支架（其上装有指针，并通 过定位螺母套在丝杆上，由丝扦带动作平 移）、螺杆及带刻度的手轮等。接收器的位 置可由标尺与读数鼓轮的联合读数确定。关于示波器及信号发生器的使用请参 考仪器使用说
8、明书。图 11-7为声速测量装 置实物图。四. 实验内容1. 用相位比较法测定超声波的波长以求声速：按图 11-7 连接仪器装置，参照说明书正确使用示波器及信号发生器。将信号源调至压 电陶瓷换能器的固有频率，示波器叠加方式用“交替”或“断续”内触发电源选然 后沿超声波传播方向移动接收器、寻找同相点，即可测出波长。2. 用李萨如图形法测声速：按下示波器的X-Y”键，改变接收器位置，通过李萨如图形测定超声波波长。3. 用共振法测声速：按图11-4连接装置，示波器叠加方式用“2”内触发电源亦选盯或“Yd”连续 改变接收器位置，观察声压变化与接收器位置的关系，由此测定超声波波长。五. 注意事项1. 正确使用信号发生器及示波器实验时一般将信号源输出调至峰峰值V二5V左P - P右。2. 用声速测量仪测定波长时应注意单方向（一般是超声波的传播方向移动接收器, 否则将会产生螺距间隙差。3. 注意恰当选择示波器的“扫描速度调节SEC/DIV）”及“电压调节VOLTS/DIV）” 的档位，以便观察及减小测量不确定度。六. 考查题1. 怎样寻找锆钛酸铅压电陶瓷管的固有频率？2. 用相位比较法测波长时,内触发电源选“Y”可以吗？选“Y”和“Y”有何不同？1 2 1 用李萨如图形法测量时有无影响？用共振法测量时应如何？3.
