不同温度和压力下的声速-(2)
大学物理实验――声速的测量
大学物理实验――声速的测量
声速是指声波在介质中传播的速度，是介质特性的一种表示，通常用符号v表示。声速的测量是物理学中一个重要的实验，其应用广泛，特别是在工程领域和地震学中。本实验是通过对气体中声波的传播距离和时间的测量，计算出气体中声速的值。
实验设备及原理
本实验所需的设备包括计时器，压缩空气的气瓶，可调节的声音发生器和接收器，宽口瓶，水平塑料管和数码万用表等。实验的基本原理是通过沿着被测气体内传输声波的路径测量声波传输的时间和距离，计算出声速。根据声速的定义：
$ v = f \times \lambda $
其中，v是声速，f是声波的频率，λ是声波在介质中的波长。在本实验中，发射器会产生一定频率的声波，并通过传声管将声波传递到接收器中。接收器将信号转换为电信号，发送到计时器上。实验者使用计时器测量声波从发射器到接收器之间的时间差，然后根据声波频率计算声波的波长，最后通过上述公式计算出气体中的声速。
实验步骤
1.准备实验设备。将发射器和接收器连接在气瓶上。将宽口瓶放置在声波传播的路径上，并将水平塑料管连接到宽口瓶上。在水平塑料管中放入一定量的水，直至水超过塑料管中心的标记。将计时器连接到接收器上。使用数码万用表检查所有连接线路是否连接正确，并检查设备是否正常工作。
2.测量实验温度和压力。在测量声速之前，需测量被测气体的温度和压力。应根据玻意耳定律对气瓶中的气体进行压力和温度的测量，并记录测量结果。
3.理论计算。根据气体的压力和温度以及声波频率的测量值，计算出声波的波长。波长的计算公式为：
不同温度和压力下的声速
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不同温度和压力下的声速
The classical ideal gas law may be written as pV=nRT, from which the expression for gas density ρ relating to pressure p could be deduced: ρ=pM/RT, wherein V and n correspond to volume and number of moles of a substance, respectively; T, M and R are respectively corresponding to absolute temperature, molar mass and ideal gas constant, approximately 8.3144621 J/(mol·K).
The sound speed of sound in an ideal gas depends only on its temperature and composition. The speed has a weak dependence on frequency and pressure in ordinary air, deviating slighty from ideal behavior. In general, the speed of sound c is given by the Newton-Laplace equation: c=(K f/ρ)1/2, in which the bulk modulus K f is simply the gas pressure p multiplied by the dimensionless adiabatic indexγ, which is about 1.4 for air.
声音在不同介质中的传播速度差异及原因
声音在不同介质中的传播速度差异及原因
声音是一种通过振动在介质中传播的波动，传播的速度取决于介质的性质。在
空气中，声音的传播速度约为343米/秒。然而，声音在不同介质中的传播速度存
在着差异，这种差异主要受介质密度、弹性系数和温度等因素的影响。
空气中的声音传播速度
在大气中，声音的传播速度受温度和湿度的影响。一般来说，空气的温度越高，声音的传播速度越快。这是由于气体分子在高温下的平均速度增加，导致声波传播速度增加。湿度也会对声音传播速度产生影响，湿度越高，声音传播速度会略有减慢。
声音在水中的传播速度
水是一种比空气更密实的介质，声音在水中传播的速度一般约为1500米/秒。相比于空气，水的密度更大、分子更接近，这使得声波在水中传播时的相互作用更加频繁，导致传播速度更快。此外，水的弹性系数也较高，使得声波在水中传播时更容易传递能量。
固体中的声音传播速度
在固体中，声音的传播速度通常比在气体中更快。这是因为固体的分子排列更
加密集，分子间的相互作用更强，导致声音的传播速度更快。例如，在钢铁等金属中，声音的传播速度可高达5000米/秒以上，远高于在空气和水中的传播速度。
不同介质中的声音传播速度差异原因
不同介质中的声音传播速度差异主要与介质的密度、弹性系数和温度等因素有关。介质的密度和弹性系数越大，声音的传播速度一般越快。此外，温度也会对声音传播速度产生影响，温度越高，声音的传播速度一般越快。
总的来说，声音在不同介质中的传播速度差异主要由介质的性质决定。了解不
同介质中声音传播的特点可以帮助我们更好地理解声音传播的基本原理，进而应用于声学工程等领域中。
多波束声纳及声学原理2
吸收
水吸收声能量后转变成热量，单位： dB/km 与水中 MgSO4 和 MgCO3 含量有关 与声波频率有关 与温度有关 与盐度有关 与压力有关
扩展损失和吸收损失值将用于计算TVG 增益曲 线的上升速度
对应不同频率声波的吸收系数
频率 淡水吸收系数 盐水吸收系数
12kHz (SeaBat 8150) 100kHz (SeaBat 8111) 240kHz (SeaBat 8101) 455kHz (SeaBat 8125)
普通波动原理-多波束
多波束
条带 宽度
各向同性展开的波
普通波动原理
波峰
波谷 (低压)
压力
距离
普通波动原理
相长相消干涉
相消干涉点 声源 相长干涉点
普通波动原理
相长干涉位置 1
Location equidistant from the two sources d1= d2 => Constructive interference
-13 dB 第一旁瓣
N
a w o r
b e
c m a
h r a
r e t c
c i t s
h t i w
s e d i
b o l
s e
-27 dB 第一旁瓣
-90
+90
A -90
(完整版)第三章海洋的声学特性
第三章海洋的声学特性
本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中 目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。
3.1海水中的声速
声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。 海洋中声波为弹性纵波，声速为：
1 c ----------
s
式中，密度 和绝热压缩系数 s 都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是 T 、S 、
P 的函数。
1、声速经验公式
海洋中的声速c (m/s )随温度T (C)、盐度S (%。)、压力P (kg/cm 2)的增加而增加。 经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为： 较为准确的经验公式：
c ST p S 35 1.197 10 3T 2.61 10 4P 1.96 10 1P 2 2.09 10 6 PT P 2.796 10 4T 1.3302 10 5T 2 6.644 10 8T 3 P 2
2.391 10 1T 9.286 10 10T 2
1.745 10 10 P 3T
上式适用范围：-3C
1个大气压的压力。
声速c 的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很 大，因此需要有准确的声速数值。但上式计算比较繁琐，在精度要求不太高时，可使用比较简单 的经验公式。许多文献资料，都给出较为简单的声速经验公式，这里介绍
|乌德公式|:
式中，压力P 单位是大气压，
1atm 1.013 105N/m 2 。
c 1449.22
c T
C s
C
P
c STP
第2章海洋的声学特性
声速梯度。
在主跃变层（负）和深海 等温层（正）之间，有一 声速极小值—声道轴。
水声学 第2章 海洋的声学特性 18
2.1 海水中的声速
请解释一下深海声速梯度分布？
水声学
第2章 海洋的声学特性
19
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
温度的季节变化、日变化和纬度变化：
（1）季节变化： 百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面 等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。
第2章 海洋的声学特性
从声传播角度讨论海洋声学特性、海洋的不
均匀性和多变性，了解水声信号传播的信道环
境，为声纳设计和声纳性能预报提供理论依据。
水声学
第2章 海洋的声学特性
2
2.1 海水中的声速
声速是海水中最重要的声学参数，也是影响声波 在海洋中传播的最基本的物理量。
海水中声波为弹性纵波，声速表达式为：
搅拌作用。
水声学 第2章 海洋的声学特性 15
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
典型深海声速剖面：
（2）季节跃变层：
在表面层之下，特征是 负温度梯度或负声速梯度， 此梯度随季节而异。 夏、秋季节，跃变层明 显；冬、春（北冰洋）季 节，跃变层与表面层合并 在一起。
水声学 第2章 海洋的声学特性 16
2.1.2海洋的声学特性 - 海水的声速
第2章 海洋的声学特性
第一讲 海水的声速
2.1 海水中的声速
声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。海洋中声波为弹性纵波，声速为：
s
c ρβ1
=式中，密度ρ和绝热压缩系数s β都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是T 、S 、P 的函数。
1、声速经验公式
海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm 2）的增加而增加。经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为：
较为准确的经验公式：STP
P S T c c c c c ∆∆∆∆++++=22.1449式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---⨯-⨯+⨯-=∆()()2
235108.735391.1-⨯--=-S S c S ∆4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----⨯-⨯+⨯+⨯=∆()[
][][]T
P T T P T T T P PT P P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯-⨯+⨯--=∆上式适用范围：-3℃
注意：海水中盐度变化不大，典型值35‰；经常用深度替代静压力，每下降10m 水深近似
增加1个大气压的压力。
第2章海洋的声学特性
根据乌德公式
a T 4 .2 0 1 .0T 7 m 4 s C a S 1 .14 m s / a P 0 .17m 5 satm
声速梯度 g c 4 . 2 0 . 0 1 T g 7 T 1 . 1 4 g S 4 0 . 1 g P 7
2.2 海水中的声吸收
3、非均匀液体中的声衰减
一般海水含有各种杂质，如气泡、浮游生物、悬
浮粒子以及湍流形成温度不均匀区域等，它将增加海
水的声传播损失。 含有气泡群的海水具有非常高的声吸收：
•热传导效应：气泡压缩、膨胀，内部温度升高，发生 热交换，声能转化为热能而消耗掉。 •粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗 部分声能。 •声散射：气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，对入射声 产生散射，使声能明显减小。
2.2 海水中的声吸收
吸收系数与压力关系
随压力的增加而减小：
0 1 6 .6 1 7 5 H 0
深度每增加1km其吸收系数减小6.7%。
海水的声吸收系数与声波频率、温度、压力、盐 度等因素有关，但盐度的影响较小；对于不同声 波频率，应选择不同的经验公式计算海水的吸收 系数。
2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 浅海声速剖面：
浅海声速剖面分 布具有明显的季节特 征。在冬季，大多属 于等温层的声速剖面 ，夏季为负跃变层声 速梯度剖面。
【doc】压力和温度对两种液压油的超声波速度的影响
压力和温度对两种液压油的超声波速度的
影响
第26卷第6期
2007年l2月
声学技术
TechnicalAcoustics
V o1.26.No.6
Dec.,2007
压力和温度对两种液压油的超声波速度的影响
谢建,刘俊,田桂
f第二炮兵1=程学院,西安710025)
摘要:流体介质的声速测量是超声非接触压力测量和流量测量的基础,介质中的声速主要受压力,温度和介质本
身物理特性的影响.为研究液压油的超声特性,本文以实验数据为基础,通过回归分析方法建立了两种液压油的声
速一温度(C-T),声速一压力(C—P)和声速一油品(C—O)模型,为采用超声非接触检测方式测量液压系统的压力和流量及
其它类似介质的超声特性研究提供了实验依据.
关键词:模型:回归分析:超声特性
中图分类号:文献标识码:A文章编号:1000-3630(2007)一06-1155—06 Impactofpressureandtemperatureuponultrasonic velocityintwosortsofhydraulicoil
XIEJian,LIUJun,TianGui
(TheSecondArtilleryEngineeringCollege,Xian710025,China)
Abstract:Soundvelocitywhichismainlyinfluencedbypressureandtemperatureofthemedi um,isthe
keyparametertotheultrasonicnon-contactmeasurement.Bytheregressionanalysisofexper
第4章 海洋声速及声线跟踪
声速剖面编号（SVP） 2, 3, 4, 8, 9, 10, 12, 20 1,11,15, 17, 18,19 7, 13, 16 5, 6 14, 22 小幅度的正梯度变化
分Baidu Nhomakorabea情况解释
10m以上为明显的负梯度变化；10m以下为小幅度的正梯度变化 4m以上为明显的负梯度变化；4m以下为小幅度的正梯度变化 2m以上为明显的负梯度变化；2m以下为小幅度的正梯度变化 6m以上为明显的负梯度变化；6~16m为小幅度的正梯度变化；16m以下 为小幅度的负梯度变化
3. W. D. Wilson简化公式。
4.Leroy（1969）给出的经验公式
5.Mackenzie根据前人研究，于1981提出了特定条件下的声 速公式（E式）
6.Chen-Millero-Li经验公式。适用范围：温度T（C）： 0C<T<40C、压力P（bars）：0<P<1000、盐度S（ppt）： 0<S< 40。 7. EM分层简化公式
第2章海洋的声学特性
A SfT f 2 B f 2
fT f
fT
6 1520
fT 21.9 10 T 273
dB / km
A 1.89 102 B 2.72 102
驰豫频率随温度升高而增加 。
2.2 海水中的声吸收
• 主要是MgSO4驰豫现象引起的吗？ 实验结果：海水中含有溶解度很大的NaCI，
NaCI的存在使得海水超吸收反而下降。这是由于 NaCI对水分子结构变化产生影响所致。在高频， NaCI浓度越大，吸收越小。 • 在5kHz频率以下低频，声吸收又明显增加，比 S-M公式所给的结果更大，为什么？
的传播条件。 TL 10lg r
（3）n=3/2 适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ， 相当于计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失
的修正。
TL 15lg r
2.2 海水中的声吸收
扩展损失
（4）n=2 适用于开阔水域(自由场)，球面波传播。
TL 20lg r
（5）n=3 声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。
这是由于海水还存在包括硼酸在内的其它化 学驰豫现象。
2.2 海水中的声吸收
海水超吸收
Thorp给出了低频段（驰豫频率约为1kHz）吸收系 数的经验公式（适用4℃温度附近 ）：
0.102 1 f
f2
2
40.7 f 4100
大学物理实验课件 实验4.9 声速的测量
实验4.9 声速的测量
物理系：张师平
北京科技大学物理系张师平
背景介绍
•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20 Hz～20 kHz之间的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超过20KHz的声波称为超声波。•对于声波特性的测量（如频率、波速、波长、声
压衰减和相位等）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、测距等应用中具有重要的意义。
北京科技大学物理系张师平
实验目的
1.学习测量流体中声速的两种方法：驻波法和行波
法。
2.了解声波的产生和接受原理。
北京科技大学物理系张师平
北京科技大学
物理系张师平
实验仪器
信号发生器，示波器，声速测定仪
北京科技大学物理系张师平
实验原理
•本实验采用波动学方法。由于超声波具有波长短，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。在测出声波的频率F 与波长λ后利用公式得到V 。
式中，声波的频率F 由信号发生器直接读出，波长λ由共振干涉法或相位比较法分别测得。
V F λ
=⨯
数据处理
1.分别用行波法和驻波法测量实验室环境下的声速，
并计算声速的误差。
2.利用声速的理论值公式和测得的实验值就算空气
的比热容比，并与空气的比热容比1.400进行比
较，求出百分差。
北京科技大学物理系张师平
第2章海洋的声学特性
2.3 海底
海底对声传播影响
海底结构、地形和沉积层 声波吸收、散射和反射 水声设备作用距离
2.3 海底
海底对声传播影响
实验研究表明：海底声波反射系数与海底地形有明显 依赖关系。对于高于几千赫频率声波，海底粗糙度是 影响声波反射主要作用。 反向散射强度ms：单位面积界面的反向散射功率与 入射波强度之比。
2 I ∝ p0 r 2
传播损失为：
I (1) TL = 10 lg = 20 lg r I (x )
(dB )
2.2 海水中的声吸收
扩展损失
一般，可以把扩展损失写成：
TL = n ⋅10 lg r
(dB )
根据不同的传播条件，n取不同的数值： （1）n=0 适用管道中的声传播，平面波传播
TL = 0
根据乌德公式
aT = 4.21 − 0.074T
(m s )
/ oo
o
C
a S = 1.14
a P = 0.175
(m s )
o
(m s ) atm
声速梯度
g c = (4.21 − 0.074T )gT + 1.14 g S + 0.175 g P
2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 典型深海声速剖面： 温度分布“三层结构”： （1）表面层（表面等温 层或混合层）： 海洋表面受到阳光照 射，水温较高，但又受到 风雨搅拌作用。
有关声速的计算
声呐方程
在声呐系统中，声波的发射和接收时 间差被用来计算目标距离。声速的准 确测量对于提高声呐定位精度至关重 要。
声音定位
声音定位
声音定位技术利用声速测量和声音传播时间差来计算声音来源的方向和距离。在声音嘈杂的环境中，声音定位技术可 以帮助人们更好地识别和定位声音来源。
声音传播模型
声音传播模型基于声音的传播速度和时间差来计算声音来源的位置。通过建立数学模型，可以精确地计算出声音来源 的三维坐标。
有关声速的计算
目录 CONTENT
• 声速的定义与特性 • 声速的计算方法 • 声速在不同介质中的变化 • 声速在生活中的应用 • 声速计算中的注意事项
01
声速的定义与特性
声速的定义
声速：声音在介质中传播的速度，单 位为米/秒（m/s）。
声速是声音传播快慢的物理量，与声 音的频率和波长有关。
声速的特性
Fra Baidu bibliotek
01
声速是波动的速度，与介质有关。
02
声速在不同介质中传播速度不同，一般在固体中最快，液体次
之，气体中最慢。
声速与温度有关，温度越高，声速越大。
03
影响声速的因素
介质种类
不同介质中声速不同，例如在水中声速约 为1500m/s，而在空气中约为340m/s。
压力
压力增大时，气体中的声速略有增加。
声的传播速度和频率
声的传播速度和频率
声波是一种机械波，它通过介质（如空气、水或固体）的振动传播。声的传播
速度和频率是声波传播过程中的两个重要参数。
一、声的传播速度
声的传播速度是指声波在介质中传播的速度。不同介质的声速不同，通常用符
号v表示。声速的大小取决于介质的性质，如介质的密度、弹性模量和泊松比等。
1.空气中的声速：
在常温常压下（0°C，1个大气压），空气中的声速约为343米/秒。
声速在空气中的大小还与空气的温度、压力和湿度等因素有关。空气温度越高，声速越快；空气压力越大，声速也越快。
2.水中的声速：
水中声速约为1480米/秒。声速在水中的大小还与水的温度、盐度和深度等因素有关。水温越低，声速越快；水中盐度越高，声速也越快。
3.固体中的声速：
固体中的声速一般比空气和水中的声速快。在钢铁中，声速约为5000米/秒；在橡胶中，声速约为40-150米/秒。
二、声的频率
声的频率是指声波振动的次数，通常用符号f表示，单位是赫兹（Hz）。频率
表示声波的音高，频率越高，声音听起来越尖锐；频率越低，声音听起来越低沉。
1.人耳的听觉频率范围：
人耳能够听到的声波频率范围大约是20Hz到20000Hz。低于20Hz 的声波称为次声波，高于20000Hz的声波称为超声波。
2.声波的波长和频率的关系：
根据波动方程，声波的波长（λ）与声速（v）和频率（f）之间的关系为：λ = v/f。即波长与声速成正比，与频率成反比。
三、声的传播速度和频率的关系
声的传播速度和频率之间没有直接的关系，但它们之间存在间接的影响。在同
一介质中，声速是一定的，当声波的频率发生变化时，其波长也会发生变化。
噪声及温度
噪声监测与诊断技术
机器运行过程中所产生的振动和噪声是反映机器工作状态的诊断信息的重要来源。振动和噪声是机器运行过程中的一种属性，即使最精密最好的机械设备也不可避免地要产生振动和噪声。振动和噪声的增加，一定是由故障引起的，任何机器都以其自身可能的方式产生振动和噪声。因此，只要抓住所研究的机器零部件的生振发声的机理和特征，就可对机器的状态进行诊断。
在机械设备状态监测与故障诊断技术中，噪声监测也是较常用的方法之一。本节将简单介绍噪声测量中的基本概念及方法。
一、声学基础
（一）机械振动与声
机械振动在媒质中的传播过程称为机械波。声波是一种机械波，产生声波的振动系统称为声源。一定频率范围的声波作用于人耳，引起鼓膜振动，刺激听神经产生声音的感觉。
声波的特征通常用频率、周期、波长和声速等物理参量表示。
传播声波的媒质可以是气体、液体和固体，所以噪声也就有所谓空气噪声、流体噪声和固体（又叫结构）噪声。通常所讲的噪声是指传入人耳的空气噪声，只有频率在20～20000Hz 之间的机械波才能引起人们的听觉。频率低于20Hz的称为次声波，其波长很长，不易被一般物体所反射和折射，在媒质中不易被吸收，传播距离非常远，所以次声波不仅可以用来探测气象、分析地震和军事侦察，还可用于机械设备的状态监测，特别是在远场测量情况下。频率高于20000Hz的称为超声波，由于它传播时定向性好，穿透性强，以及在不同媒质中波速、衰减和吸收特性的差异，故在机械设备的故障诊断中也很有用。
声场，声线（波线），波阵面，球面波，平面波。
（二）声压、声速与声场中的能量