声速测定讲稿

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声速测定

声速测量的常用方法有两类：第一类是测量声波传播距离l 和时间间隔t ，然后根据公式

t l v /=计算声速v （时差法）

；第二类是测出频率f 和波长λ，再计算声速v 。本实验采用第二类测量方法。

【实验原理】

由于超声波具有波长短、易于定向发射和不可闻等优点，所以在超声波段测量声速是比较方便的。超声波的发射和接收一般是通过电磁振动和机械振动的相互转换来实现的，主要是利用压电效应和磁致伸缩效应。本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换。 当换能器的压电晶体的固有频率与外界信号频率一致时就会产生谐振，此时压电陶瓷换能器能够较好地进行声能与电能的相互转换，可以获得最大的声波压强。所以实验时应调节信号发生器的输出频率（34.0~36.0kHz ），使其与换能器谐振（示波器上信号幅度最大），此时的频率即为压电陶瓷的谐振频率。

1. 驻波法（共振干涉法）

实验原理如图所示。S 1、S 2为压电陶瓷换能器。S 1装在固定端，接受器S 2可以移动。带有功率输出的信号发生器产生的超声频率段的正弦交变电压信号接在S 1上，使S 1产生受迫振动，向周围空间定向发出一近似的平面波。S 2为接收换能器，它接收到声波后产生与声源同频率的电振动。当S 1和S 2的表面互相平行时，声波就在两个平面间往返，形成驻波。当两个换能器之间的距离l 为半波长的整数倍时，出现稳定的驻波共振现象，声压波幅最大。在接收器的反射面处是振幅的“波节”位置，同时是声压的“波腹”位置，即该处位移为零，声压最大。连续改变l 值，声压波幅将在最大与最小之间周期性的变化。接收器S 2上的电压与该处声压成正比，测量接收器电压随两个换能器距离的变化情况，相邻两次电压最大对应的距离变化就是半波长，由此可以得到波长λ。再根据公式λf v =可直接算出v ，其中声波的频率f 即驱动电压的频率，可从信号发生器面板上直接读出。

2. 行波法（相位比较法）

S 1与S 2处的声波有一定的相位差，当两者距离为l 时，相位差为2l ϕπλ=，因此可以通过测量ϕ来求得声速2v lf πϕ=。连续改变距离l 的值，测出相位差的π2变化，对应的距离变化就是一个波长。

【实验内容与步骤】

1. 驻波法 1）调节信号发生器输出信号的频率，达到与换能器谐振。

2）移动S 2，测出各振幅极大值点S 2对应的位置坐标l ，记录在自制的数据表格中。要求至少记录12组数据，同时记录所对应的信号频率f ，以便采用逐差法处理数据。

3）测试过程中应注意保持S 2与S 1表面的平行。

2. 相位比较法

大学物理实验

4 4 1) 微调S 2方位，使其稍微倾斜于S 1（即S 2不平行S 1），得李萨如图形。

2) 改变S 2的位置，从找到第一个斜线形李萨如图形开始测量，记录S 2的位置坐标。并注意：S 2的第一个位置与S 1之间的距离应不小于4～5cm 。连续移动S 2，每次得到相同的斜线形李萨如图形时，测量对应的S 2的位置坐标，至少测量12组，记录在自制的记录表格中。同时记录所对应的信号频率f 。

【实验注意事项及常见故障的排除】

1. 发射器和接收器不能接触。

2. 数据测量结束时，应立刻读出温度的示数。

【实验数据处理及分析】

1． 应用逐差法分别对两种方法得到的数据进行处理，求得声速v 。

2． 大气中声速与温度、湿度及大气压强有密切关系。在t ＝0℃的干空气中，声速为0m/s v =331.45。根据声学理论，一般条件下的校准声速

为v v '=，式中273.15T t =+为室温，单位为K 。 比较v 与v '，计算相对误差||100%v v E v '-=

⨯'

。 3． 计算声速v 的相对误差，并分析误差产生的原因。

【实验拓展】 1．测水中或海水中的声速 s

m v 1500=左右，需作何调整?声速与海水温度、盐度和静压力的关系为

Pa 1058.1)35S )(01T .034.1(00029T .0055T .06T .42.1449632-⨯+--++-+=海水v

T ——温度（℃），S ——盐度（000），Pa ——海水静压力（2m N ） 2．其它液体和气

体中的声速的测量。 ３．驻波法与行波法进行比较，哪个精度高？ ４．压电陶瓷换能器的其它应用？ ５．距离增加时，声压衰减的原因？ ６．声压幅度的衰减是否影响波长的测定？ 7.影响声速的因素？

【思考题】

1. 本实验要求信号源与换能器固有频率一致，在谐振情况下进行测量，为什么？

2. 行波法中，为什么选用斜线形李萨如图形作为观测点？

3. 在驻波法测声速时，要求实验装置中S 1和S 2严格平行，这是为什么？在相位比较法中是否仍然要求S 1和S 2的端面严格平行？请说明。

4. 如何用实验的方法确定谐振频率？