10讲义（声速测量）

声速测量
1、学会用共振干涉法和相差法测声速；
2、了解压电陶瓷换能器的结构和工作原理；
3、学会用驻波管测声速；
4、进一步熟悉示波器的使用。

二、实验仪器：声速测定仪、信号发生器、示波器、驻波管和支架、扬声器。

三、实验原理声速是描述波在媒质中传播特性的物理量，它与媒质的性质及状态有关，频率在20—
20000赫兹范围内为可闻声，大于20000赫兹为超声波，由于超声波具有波长短，定向性
好，抗干扰强等特点，在传播的过程中入射波与反射波容易产生干涉并形成驻波，而可闻
声只能在驻波管内产生干涉形成驻波。

本实验是通过测量驻波波长和频率，由公式
λf 算出声速。

V f λ=压电陶瓷：
压电陶瓷（如：钛酸钡、锆钡酸铅）具有正压电效应和逆压电效应，当它受到压力时，
表面产生电荷，形成电场，为正压电效应。

在外加电场的作用下可产生形变，为逆压电效
应，当交流电压作用于压电陶瓷时，它将作周期性的形变即振动从而发出声波。

利用压电陶瓷在外来振动的作用下产生变化电场的正压电效应可用来接收声波信号。

1、超声波的驻波法测声速（共振干涉法）
如图（一）所示，超声波发射器与超声波接收器平行正对，超声波发射器发出超声波
向右传播，遇到接收换能器后发生反射，此时发射器与接收器之间的入射波与反射波叠加
形成驻波，相邻波腹和波节间距离都为
，当接收器移至波腹处接收信号最强，实验中通
2
λ
过移动接收器依次记下波腹位置，它满足：，2
l k
λ
=,1,2,k i i i =++
测出相邻波腹间距和频率，11
2
i i l l l λ+∆=-=
f 用公式算出声速。

V f λ=2、超声波的相差法测声速（相位比较法）
将发射信号与接收信号分别接示波器的
与输入端，两个同频率振动方向相互垂
x y 直的正弦信号合成利萨如图，当水平移动接
收器时，两个信号的相位差随距离改变而改
变，每改变一个波长的距离相位差改变，
2π利萨如图形重复一次，变化一个周期，测出
一个周期的距离变化量和频率，
l λ∆=f
发射换能器
图（一）
发射换能器
图（二）
图（三） 利萨如图
四、实验内容和要求
1、超声波驻波法测空气中声速（1）按图（一）连接线路，发射换能器接信号源，接收换能器接示波器。

（2）将接收换能器紧贴固定的发射换能器，使两者正对平行，再右移接收换能器，使
其与发射换能器保持一定的距离。

（3）调节信号源的输出幅度和频率，缓慢移动接收换能器观察示波器上波形的变化，
当正弦波幅度最大且稳定时，此时发射换能器工作在谐振状态，为38K 左右，记下频率和
实验室的温度。

（4）连续移动接收换能器，在表1中依次记下驻波波腹的位置。

i l （5）用逐差法计算出波长的平均值和声速，对比理论值，计算相对误差。

空气v V 理2、超声波相差法测量空气中声速
（1）在上述接线的基础上将信号源的输出接示波器的另一输入端，置示波器为
模式。

x y -（2）调节信号源的输出频率，使发射换能器工作在谐振状态，再分别调节示波器的两
个输入幅度增益，使图像中的椭圆大小适中并稳定。

（3）连续移动接收换能器，当图形为斜线时，两信号的相位差时，
πππφn ,...2,,0=∆依次在表2中记下示波器上出现斜线时游标卡尺的位置读数。

i l （4）用逐差法计算出波长的平均值，算出，，相对误差空气v V 理E
3、超声波相差法测量水中声速（1）信号源中“发射S1”接发射换能器，接收换能器接示波器，信号源中“发射波
形”接示波器，信号源中“传播介质”选为“液体” 。

（2）将接收换能器紧贴固定的发射换能器，使两者正对平行，再右移接收换能器，使
其与发射换能器保持一定的距离。

（3）调节信号源的输出幅度和频率，缓慢移动接收换能器观察示波器上波形的变化，
当正弦波幅度最大且稳定时，此时发射换能器工作在谐振状态，为38K 左右，记下频率和
实验室的温度。

（4）置示波器为模式。

x y -（5）连续移动接收换能器，当图形为斜线时，两信号的相位差时，
πππφn ,...2,,0=∆依次在表3中记下示波器上出现斜线时游标卡尺的位置读数。

i l （6）用逐差法计算出波长的平均值和声速，对比理论值，计算相对误差。

V 实V 理五、实验数据记录与处理（给出详细的计算过程）
表1、超声波驻波法测空气中声速；温度
o C ，频率
Hz 。

t =f = 计算过程 = 计算结果 （mm ）
=-=
∆∑=+25
)
(4
5
i i i l l
L =
（mm ）L ∆=2λ=
=
（m/s ）
f λν=空气
=
==
%-理论
理论
空气v v E ν表2、超声波相差法测空气中声速；温度
o C ，频率
Hz 。

t =f = 计算过程 = 计算结果 （mm ）
=-=
∆∑=+25
)(405i i i l l
L =
（mm ）L ∆=2λ=
= （m/s ）f λν=空气
= ==
%-理论
理论
空气v v E ν表3、超声波相差法测水中声速；温度
o C ，频率
Hz 。

t =f = 计算过程 = 计算结果 （mm ）
=-=
∆∑=+25
)
(4
5
i i i l l
L =
（mm ）
L ∆=2λ=
=
（m/s ）
f λν=水
=
==
%-理论
理论
水v v E ν六、分析和思考：
次0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
(mm)
i l 次0
1
2
34
567
8
9
(mm)
i l 次012345678
9
(mm)
i l
（1）为什么换能器在谐振时才有可靠的信号？
（2）共振法和相差法测声速有何不同？
（3）结合实验结果，比较三种测声速方法的优缺点。