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1、声速的测定-兰州大学物理实验中心 声波是在弹性媒质中传播的一种机械波、声波是在弹性媒质中传播的一种机械波、纵波，其在媒质中的传播速度与纵波，其在媒质中的传播速度与媒质的特性媒质的特性及及状态状态等因素有关。等因素有关。 通通过过媒媒质质中中声声速速的的测测量量， 可可以以了了解解被被测测媒媒质质的的特特性性或或状状态态变变化化，因因而而声声速速测测量量有有非非常常广广泛泛的的应应用用，如如无无损损检检测测、测测距距和和定定位位、测测气气体体温温度度的的瞬瞬间间变变化化、测测液液体体的的流流速速、测测材料的弹性模量材料的弹性模量等。等。频率低于频率低于20Hz的声波称为的声波称为次声波次声波；频
2、率在频率在20Hz-20kHz的声波可以被人听的声波可以被人听到，称为到，称为可闻声波可闻声波；频率在频率在20kHz以上的声波称为以上的声波称为超声波超声波。实验方法方法当当当当l l改变时，刚性平面处声压振幅也改变，且改变时，刚性平面处声压振幅也改变，且改变时，刚性平面处声压振幅也改变，且改变时，刚性平面处声压振幅也改变，且根据根据根据根据p p( (l l) )随随随随l l周期变化的原理，可求出半波长周期变化的原理，可求出半波长周期变化的原理，可求出半波长周期变化的原理，可求出半波长按按按按实实实实验验验验原原原原理理理理图图图图将将将将仪仪仪仪器器器器接接接接好好好好，调调调调整整整
3、整信信信信号号号号发发发发生生生生器器器器的的的的频频频频率率率率f f （约约约约40KHz40KHz使激发换能器处于使激发换能器处于使激发换能器处于使激发换能器处于谐振状态谐振状态谐振状态谐振状态。调调调调整整整整激激激激发发发发换换换换能能能能器器器器和和和和接接接接收收收收换换换换能能能能器器器器平平平平面面面面的的的的距距距距离离离离l l，使使使使得得得得两两两两换换换换能能能能器器器器平平平平面面面面之之之之间间间间的的的的空空空空气气气气形形形形成成成成驻驻驻驻波波波波，示示示示波波波波器器器器产产产产生生生生共共共共振振振振现现现现象象象象，记记记记录录录录示示示示波波波波器
4、器器器所显示的信号幅度连续所显示的信号幅度连续所显示的信号幅度连续所显示的信号幅度连续2020个极大值，采用个极大值，采用个极大值，采用个极大值，采用逐差法逐差法逐差法逐差法处理数据。处理数据。处理数据。处理数据。实验方法方法结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为实验方法方法实验方法方法2相位比相位比较法法 从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为 =t =2f/v=2 l /S1与S2之间变化一个波长，相位差变化，示波器上所观察到的李萨如图随之变化一个周期。实验方法方法同同同同时时时时将将将将信信信信号号号号源源源源发发发发射射射射端端端端接接接接入入入入示示示示波波波波器器器器的
5、的的的X X轴轴轴轴、反反反反射射射射端端端端接接接接入入入入示示示示波波波波器器器器的的的的Y Y轴轴轴轴，示示示示波波波波器器器器采采采采用用用用X-YX-Y扫扫扫扫描描描描、这这这这时时时时示示示示波波波波器器器器将将将将显显显显示示示示一一一一椭椭椭椭圆圆圆圆或或或或直线。直线。直线。直线。当当当当移移移移动动动动接接接接收收收收换换换换能能能能器器器器时时时时将将将将会会会会发发发发现现现现：不不不不仅仅仅仅椭椭椭椭圆圆圆圆的的的的幅幅幅幅值值值值大大大大小小小小会会会会随随随随发发发发射接收的距离射接收的距离射接收的距离射接收的距离l l发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。发生变化
6、，而且椭圆的相位亦发生变化。发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。利利利利用用用用李李李李萨萨萨萨如如如如图图图图形形形形找找找找出出出出同同同同相相相相（=0=0）或或或或反反反反相相相相（= = ）时时时时椭椭椭椭圆圆圆圆退退退退化化化化为为为为右右右右斜斜斜斜或或或或左左左左斜斜斜斜直直直直线线线线，调调调调整整整整接接接接收收收收器器器器的的的的位位位位置置置置，注注注注意意意意屏屏屏屏幕幕幕幕上上上上出出出出现现现现的的的的椭椭椭椭圆圆圆圆相相相相位位位位（例例例例如如如如=0=0或或或或= = ），继继继继续续续续移移移移动动动动接接接接收收收收换
7、换换换能能能能器器器器、直直直直到到到到椭椭椭椭圆圆圆圆或或或或直直直直线线线线的的的的相相相相位位位位完完完完全全全全重重重重复复复复上上上上述述述述椭椭椭椭圆圆圆圆或或或或直直直直线线线线的的的的相相相相位位位位、这这这这时时时时所所所所移移移移动动动动距距距距离离离离恰恰恰恰好好好好为为为为一一一一个个个个波波波波长长长长，为为为为使使使使测测测测量量量量值值值值更更更更加加加加准准准准确确确确，可可可可多多多多移动几个波长。移动几个波长。移动几个波长。移动几个波长。采用采用采用采用逐差法逐差法逐差法逐差法处理数据。处理数据。处理数据。处理数据。接X通道,接Y通道，移动实实 验验 方方
8、法法结论：每次出现重复图形得到如下李萨如图形：移动的距离为1)按实验装置图接线，使发射头和接收头的端面尽量平行2)共振频率，调整函数发生器的输出频率，使接收头输出的电信号幅度最大3)共振干涉法测波长，记录示波器上波形相继出现20个极大值所对应的接收头的坐标4)相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现20个相同李萨如图形时所对应的接收头的坐标实 验 内 容1.逐差法计算波长，得到超声波传播速度2.计算超声波在空气中传播速度的公认值，求出两种测量方法得到的v的相对误差E3.计算不确定度数据记录与处理实验数据数据处理理 数据记录表格（参考）数据记录表格（参考）数据记录表格（参考）数据记录表格（参考
9、） 振幅极值法振幅极值法振幅极值法振幅极值法极大值极大值极大值极大值位置位置位置位置x x1 1x x2 2x x3 3x x4 4x x5 5x x6 6x x7 7x x8 8x x9 9x x1010极大值极大值极大值极大值位置位置位置位置x x1111x x1212x x1313x x1414x x1515x x1616x x1717x x1818x x1919x x20201010倍半倍半倍半倍半波长波长波长波长注意事注意事项1. 1.测测测测量量量量时时时时，旋旋旋旋转转转转鼓鼓鼓鼓轮轮轮轮应应应应向向向向同同同同一一一一方方方方向向向向旋旋旋旋转转转转，以以以以避避避避免免免免空
10、空空空程误差。程误差。程误差。程误差。2. 2.电源接通时，两超声换能器不得接触。电源接通时，两超声换能器不得接触。电源接通时，两超声换能器不得接触。电源接通时，两超声换能器不得接触。3. 3.计计计计算算算算空空空空气气气气中中中中声声声声速速速速的的的的百百百百分分分分偏偏偏偏差差差差时时时时，空空空空气气气气中中中中声声声声速速速速理理理理论论论论值由温度压强等计算。值由温度压强等计算。值由温度压强等计算。值由温度压强等计算。1逐差法逐差法处理数据的理数据的优点是什么？点是什么？2为什么什么换能器要在能器要在谐振振频率条件下率条件下进行行声速声速测量？量？3如何用本如何用本实验中的方法中的方法测量声速在媒量声速在媒质（如液体和固体）中的（如液体和固体）中的传播速度？播速度？思 考 题补充材料压电换能器能器简介介有些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生形变时，其表面会产生电荷，去掉外力时又回到不带电状态，这种现象叫做压电效应；具有该效应的物质为压电材料；利用压电材料的压电效应制成的换能器叫做压电换能器。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！21
