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1、大学物理实验大学物理实验声速测定声速测定 北京工业大学北京工业大学 物理实验室物理实验室无贺汇腥赤眼甲撒肖凸浸蜂刃藕镐袱蒜彦拌洞誓每或漂泣井疾谚掠珠兑访大学物理实验大学物理实验内容介绍1，背景介绍，背景介绍2，实验目的，实验目的3，实验原理，实验原理4，仪器介绍，仪器介绍5，实验内容，实验内容6，实验步骤实验步骤7，数据处理要求，数据处理要求8，注意事项注意事项政任精萄呻礁亩巡拐窝笔察旋芯交髓察哑幂腋咖预扶衙套戒簧老枕四计妨大学物理实验大学物理实验一、背景介绍（引言）一、背景介绍（引言）u声学是即古老又年轻的学科，它有着悠久的发声学是即古老又年轻的学科，它有着悠久的发展历史，而近代声学研究已经
2、广泛渗入到科学研展历史，而近代声学研究已经广泛渗入到科学研究、国民经济以及国防建设等各个领域，形成了究、国民经济以及国防建设等各个领域，形成了一些新的交叉学科。一些新的交叉学科。 1、u在应用研究方面，如超声马达的研究得到国家在应用研究方面，如超声马达的研究得到国家多项基金的支持，多项基金的支持，2001年研制出当时世界上最年研制出当时世界上最细的弯曲旋转超声马达。细的弯曲旋转超声马达。 u在基础研究方面，曾在液晶非线性动力学问题在基础研究方面，曾在液晶非线性动力学问题的研究中，发现指向波。的研究中，发现指向波。码遮万驭乙塞抿羚张谭晶涛药禾吓爆翻蚁怔玲步浑球嘿吹验喧酌菜洼仁和大学物理实验大学物
3、理实验u目前在进行研究课题有：目前在进行研究课题有： 超声马达、热声制冷、声致发超声马达、热声制冷、声致发光，时空有限的波在界面上的反射、透射、厅堂声混响、磁光，时空有限的波在界面上的反射、透射、厅堂声混响、磁流体声波等，以及声波在工程检测中的应用等问题等。流体声波等，以及声波在工程检测中的应用等问题等。2、u声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，由于其振动方向与声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，由于其振动方向与传播方向一致，故声波是纵波。振动频率在传播方向一致，故声波是纵波。振动频率在20 Hz20 kHz之之间的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超过间的声波可以被人们听到，称为可闻声波
4、；频率超过20KHz的声波称为超声波。的声波称为超声波。u对对于声波特性的测量（如频率、波速、波长、声压衰减和于声波特性的测量（如频率、波速、波长、声压衰减和相相 位等）是声学应用技术中的一个重要内容，特别是声波位等）是声学应用技术中的一个重要内容，特别是声波波速（简称声速）的测量，在声波定位、探伤、测距等应用波速（简称声速）的测量，在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的意义。中具有重要的意义。梦厦佐瑶证锭哮浴羞菊坪级滴劳戈齿办缉初缺匡嘘哮黔沛轩炽源吩感穆媳大学物理实验大学物理实验声波的传播速度取决于介质的特性，如介质的密度、温度、压声波的传播速度取决于介质的特性，如介质的密度、温度、压力和
5、弹性模量等，同时声波的能量（声强）随着波动的进行在力和弹性模量等，同时声波的能量（声强）随着波动的进行在介质中传播。介质中传播。 3、例例 几种介质中的声速几种介质中的声速介介质质温度（温度（C）声速声速(m/s)(m/s)空气（空气（1atm）0331空气（空气（1atm）20343水水201460花花岗岗岩岩03950铝铝205100忠炳阮憎膊跺乱链踊胀汁凭营杂霜胜陛懈淤腻婿吁挪无尝榷辆割皱囱阅果大学物理实验大学物理实验二、实验目的二、实验目的1、学、学习测习测量流体中声速的两种方法：共振干涉法和相量流体中声速的两种方法：共振干涉法和相 位比位比较较法；法；2、加深、加深对驻对驻波和振波和
6、振动动合成理合成理论论的理解；的理解；3、了解、了解压电压电陶瓷陶瓷换换能器的能器的结结构和功能；构和功能；4、进进一步熟悉示波器的使用。一步熟悉示波器的使用。三、实验原理三、实验原理声速的测量方法可以分为两类声速的测量方法可以分为两类 :一类是根据运动学理论：一类是根据运动学理论：V=L/T， 通过测量传播的距离通过测量传播的距离L与所用的时间相比而获得与所用的时间相比而获得V，另一类是根据波动学理论另一类是根据波动学理论V=F, 通过测量声波的频率通过测量声波的频率F与波长与波长而获得而获得V。沫隧坛技未师惯香竟吝蒙儒窿化谩猩束酒鸣睁司碌石蔷制掇罩漏披裤园祥大学物理实验大学物理实验 本实验
7、采用波动学理论本实验采用波动学理论 方法进行。由于方法进行。由于超声波具有波长短，易于定向发射、相互干涉小等优点，超声波具有波长短，易于定向发射、相互干涉小等优点，我们采用压电陶瓷换能器为波源进行声波发射与接收。在我们采用压电陶瓷换能器为波源进行声波发射与接收。在测出声波的频率测出声波的频率F与波长与波长后利用公式得到后利用公式得到V 。 -（1） 式中，声波的频率式中，声波的频率F由信号发生器直接读出，由信号发生器直接读出，波长波长由共振干涉法或相位比较法分别测得。由共振干涉法或相位比较法分别测得。康烤幻盖加直酌不傈釜询茅禄佑品紫尼咽魏白风狡冉串营鉴肘斩碳摇眠学大学物理实验大学物理实验四、仪
8、器介绍四、仪器介绍信号发生器信号发生器 ， 示波器，示波器， 声速测定仪声速测定仪粗枫郎速萄迭泞弱凳晴整螺坷锣滞正诱召同旨渝瓣皇主逢跪惺蜡从姬症傻大学物理实验大学物理实验五、实验内容五、实验内容1、共振干涉法、共振干涉法 声速测定仪声速测定仪 示波器示波器Y 地 X 信号发生器 压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器 S2 S1实验装置如实验装置如图图1所示所示 图图1 潘始欺漠折冤些茂锋赏咋祈钨掏溃骋曰爷身腔钳卓橡儡秀戌泵滴羽披预网大学物理实验大学物理实验 图图1中中S1和和S2为压电陶瓷换能器，为压电陶瓷换能器，S1作为超声波作为超声波源源，S2为超声波接收器。为超声波接收器。 声波传至声波传至S2
9、的接收面上时，将被反射。由物理知的接收面上时，将被反射。由物理知识可知，在接收器识可知，在接收器S2表面，从振动位移来说是波节，表面，从振动位移来说是波节，从声压来说是波腹，当从声压来说是波腹，当S1和和S2之间形成谐振（驻波）之间形成谐振（驻波）腔时，腔时， -（2） 接收器接收器S2接收到的声压是极大值，经接收器转接收到的声压是极大值，经接收器转换成电信号，从示波器上观察到的电压信号幅值也是换成电信号，从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值，由驻波知识可知，两相邻波节的距离为半波极大值，由驻波知识可知，两相邻波节的距离为半波长长 拍兑沽穆堵雨驳蚌珐抒防迷赌弘慧吭力腥属刻诽青昧肋眼享荆统榆
10、狂冲灿大学物理实验大学物理实验 图图 2 图图2中各极大值之间的距离均为中各极大值之间的距离均为 1/2 ，由于散射，由于散射和其他损耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减小。和其他损耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减小。 我们只要测出示波器各电压信号极大值对应的接我们只要测出示波器各电压信号极大值对应的接收器收器S2的位置，就可测出波长的位置，就可测出波长 。由信号发生器读出超。由信号发生器读出超声波的频率值后，即可由公式（声波的频率值后，即可由公式（1）求得声速。）求得声速。 拙劲蕾够舜腻皖察仲诌阎镀节钮挠克喀睡酌憾肯幢宁娄亲油吻糖耳遂渤席大学物理实验大学物理实验2相位比较法相位比较法实验装置
11、如实验装置如图图3所示所示 压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器 S2 S1 声速测定仪声速测定仪 示波器示波器 Y 地地 X 信号发生器信号发生器 图图 3效结吊凶藉焕隆永锻馒述她净驻淌侗铁臼赎锗渭丹绰织擦首宛悯玖拣娱阴大学物理实验大学物理实验两种实验方法，各可顺序测得两种实验方法，各可顺序测得10个个S2的极大值位置的极大值位置即可进行数据处理，求即可进行数据处理，求V。 沿波的传播方向移动接收器沿波的传播方向移动接收器S2总可以找到一点总可以找到一点使接收到信号与发射器信号的位相相同；继续移动使接收到信号与发射器信号的位相相同；继续移动接收器接收器S2，接收到的信号再次与发射器信号的位相，接收到
12、的信号再次与发射器信号的位相相同时，移过的距离等于声波的波长。可以利用李相同时，移过的距离等于声波的波长。可以利用李萨如图形来判断相位差。萨如图形来判断相位差。 当输入示波器的是两个频率严格一致的信号，当输入示波器的是两个频率严格一致的信号，则李萨如图一般情况下是稳定的椭圆。当两个信号则李萨如图一般情况下是稳定的椭圆。当两个信号的位相差由的位相差由 0变为变为时，李萨如图由斜率为正的直时，李萨如图由斜率为正的直线变为斜率为负的直线，线变为斜率为负的直线， S2的位置改变半波长。的位置改变半波长。 当当 0 L= /2 底膝枝对出峪裸淖任彤弘椎荒汐溶尊键狡药寅孝鸿揩刀京怯研堵钦巫害仗大学物理实验
13、大学物理实验3逐差法处理数据逐差法处理数据 对对上述数据的上述数据的处处理，若采用两相理，若采用两相邻邻极大极大值值所所对应对应的位置相减再取和得到的位置相减再取和得到，但，但这样这样则则在在计计算算时时，出，出现现 中间数据点未起作用。在本实验中用逐差法处理数据，中间数据点未起作用。在本实验中用逐差法处理数据，即把即把10个数据分成两组，逐次求差算平均值个数据分成两组，逐次求差算平均值。 因因 则则偏刃伤四烹睹限隐金置县麦滤簿漏晓恋谩退嫩驶冰虱翠每摩邢贷舒背棵蕴大学物理实验大学物理实验4、理想气体中的声速、理想气体中的声速 声速在常温空气中传播，可以视为是以绝热过声速在常温空气中传播，可以视
14、为是以绝热过程在理想气体中传播，由热力学理论可知声速公式程在理想气体中传播，由热力学理论可知声速公式为：为： 式中，式中，R是摩尔气体常数（是摩尔气体常数（R=8.31J （mol.k），），r是气体的比热容比，是气体的比热容比，为相对分子质量，为相对分子质量，T为热力学为热力学温度。温度。 氨照厄呼铰萄蒲缚搅熏清辐囱健谰菇局招刚期驰退腺喇佩遥烹踊住罗母芒大学物理实验大学物理实验温度若以摄氏温度温度若以摄氏温度t计算，则计算，则 式中，式中，V0为气体在为气体在0 0C的声速，在空气介质中的声速，在空气介质中V0=331.45 m/s。因此，温度为。因此，温度为t时空气中的声速时空气中的声速雌
15、谍倾搓隙丙扮敌创锣麓沃宿某歹愁点脚律骑权菇枉憾淫啪享砌勺击拂唆大学物理实验大学物理实验 另，考虑到空气中含有水蒸气的情况下，要对空气中的另，考虑到空气中含有水蒸气的情况下，要对空气中的与与r进行修正，在温度为进行修正，在温度为t，相对湿度为，相对湿度为r的空气中的声速的空气中的声速为：为： 式中，式中，ps为室温时的饱和蒸气压，可从饱和蒸气压为室温时的饱和蒸气压，可从饱和蒸气压与温度关系表中查出（与温度关系表中查出（P259）。）。P为标准大气压取为标准大气压取 ， 相对湿度相对湿度r（%) 可从实验室的干湿温度表上查出。可从实验室的干湿温度表上查出。档屑犁侧奢裁滞虚考蒋娟部瞪悟递梳懒兑除鞋芋
16、虱统寨窝鹏茄帕断洱妆毗大学物理实验大学物理实验 六、实验步骤六、实验步骤 1、准备工作、准备工作 按图按图7-21接线，发射端接线，发射端S1接信号发生器，接信号发生器，接收端接收端S2接至示波器通道接至示波器通道1（CH1）。调整测）。调整测试系统达到谐振，得到频率试系统达到谐振，得到频率 F。（。（P257(2)）2、共振干涉法测声速、共振干涉法测声速 摇动声速测试仪手把，使接收端摇动声速测试仪手把，使接收端S2缓慢移缓慢移动，由近及远逐个记下示波器上相继出现动，由近及远逐个记下示波器上相继出现10个个信号极大值时的信号极大值时的S2的位置的位置L1、L2、L10,填填入数据表，计算入数据
17、表，计算V 。漂滁常盯媒业轴晋吭帽龚匪堕貌恤俭畴府峻驯鹊啃撇干访巳盘滋州芯琵肛大学物理实验大学物理实验3、相位比较法测声速、相位比较法测声速 按图按图7-22接线，发射端接线，发射端S1接信号发生器接信号发生器CH1 ，接收，接收端端S2接至示波器通道接至示波器通道1（CH1）。再从信号发生器）。再从信号发生器CH2接接示波器通道示波器通道2（CH2），按下示波器），按下示波器 xy 键，示波器将显键，示波器将显示由示由CH1和和CH2正旋信号的合成利萨如图形。正旋信号的合成利萨如图形。 摇动声速测试仪手柄，由近及远使摇动声速测试仪手柄，由近及远使S2缓慢移缓慢移动，逐个记下示波器上相继出现利
18、萨如图形为斜动，逐个记下示波器上相继出现利萨如图形为斜线时的线时的S2的位置的位置L1、L2、L10，填入数据表，填入数据表计算计算V 。 茁舟冀似么煌傣蛆觅窜撮臭许矩扬碘洁堵箍阉旬琅功构源媚初拥户邢蜘戚大学物理实验大学物理实验谐振频率谐振频率F= Khz， 室温室温t= C, ps= , r = 。序号i Li/mm Li = Li+5Li /mm共振干涉法共振干涉法相位比相位比较较法法共振干涉法共振干涉法相位比相位比较较法法1 2345678910 平均平均值值 七、数据表格七、数据表格 沧凳蔚税无宣锯社签僳界人哮舶穆逆崎歼侦冕目热厨邑力择历季轴曙兑是大学物理实验大学物理实验数据处理要求数
19、据处理要求分别对两种方法的数据进行处理，计算分别对两种方法的数据进行处理，计算、 V测测、V理理、Er。 计算：计算：1）= 2）声速测量值）声速测量值V测测= 3）声速理论值）声速理论值V理理= 4）V测测与与V理理的相对误差的相对误差 Er Er = |V测测-V理理| / V理理100%= 锭控魁嘘渠础党抉参吞凛节隆朔颠琵实海藕甘弓喝呀烽诫梧铣盅完的蛔渗大学物理实验大学物理实验八、注意事项八、注意事项 1）作为超声波源，测试开始要仔细调节信）作为超声波源，测试开始要仔细调节信号发生器的输出频率使号发生器的输出频率使S1实现谐振，并保持在实现谐振，并保持在稳定的谐振状态，以使便于测试。如频
20、率有飘稳定的谐振状态，以使便于测试。如频率有飘移应调回。移应调回。 2）声波接收端）声波接收端S2的移动，是通过声速测定的移动，是通过声速测定仪的丝杠、螺母构成的传动机构实现的，在仪的丝杠、螺母构成的传动机构实现的，在实验过程中要注意避免空程差，在读数过程实验过程中要注意避免空程差，在读数过程中不要退读。中不要退读。座弹麓扰叹疲肃欲僻兹个杰袖躲费邵半淖播铸谓说愈辖勿吞族卡上界濒复大学物理实验大学物理实验 3）共振干涉法中要读取示波器荧光屏上正）共振干涉法中要读取示波器荧光屏上正旋信号振幅最大时的旋信号振幅最大时的S2的位置，为减少读数误的位置，为减少读数误差，可在读数前反复模拟两次，观察各最大值差，可在读数前反复模拟两次，观察各最大值的情况然后开始。的情况然后开始。 4）示波器的调谐已经学过，如有遗忘请看）示波器的调谐已经学过，如有遗忘请看实验教材。实验教材。 祝大家实验成功祝大家实验成功卢谨湛诫航菇亏萎续月域吠规荤碉掇目咒坠选曼牢诌淀褒泼屎必振食弊噬大学物理实验大学物理实验
