液体及固体介质声速测量陈忠
实验41声光衍射法测定液体中的声速
实验41 声光衍射法测定液体中的声速实验41 声光衍射法测定液体中的声速一、实验目的1.掌握声光衍射现象及其原理。
2.学习使用激光器和声源，通过实验测量液体中的声速。
3.学习如何分析和处理实验数据，进一步提高实验操作技巧和数据处理能力。
二、实验原理声光衍射是一种特殊的衍射现象，当声波在液体中传播时，会产生周期性的密度变化，进而引起介质的折射率变化。
这种折射率变化会导致光波的衍射，即声光衍射。
声光衍射现象中，声波和光波相互耦合，形成了纵向的调制信号。
通过测量衍射光的斑点位置，可以确定声波在液体中的传播速度。
本实验采用激光器和声源进行测量。
激光器产生一束单色光，通过光学系统分为两束，一束作为参考光束，另一束作为衍射光束。
声源产生超声波，通过换能器将电信号转换为声信号，并传递到液体样品中。
在样品中传播的声波引起液体密度的周期性变化，进而导致衍射光束的衍射。
通过测量衍射光斑的位置，可以计算出声波在液体中的传播速度。
三、实验步骤1.准备实验器材：激光器、光学系统、声源、换能器、液体样品、测量尺、计算机等。
2.搭建实验装置：将激光器产生的单色光通过光学系统分为两束，一束作为参考光束，另一束通过换能器和液体样品作为衍射光束。
在样品中传播的声波引起液体密度的周期性变化，导致衍射光束的衍射。
3.启动实验程序：打开计算机，进入实验程序。
设置激光器的频率、功率等参数，同时设置声源的频率、幅度等参数。
4.进行实验测量：开启激光器和声源，观察衍射现象。
记录衍射光斑的位置和大小，可以通过测量尺进行手动测量或通过计算机进行自动测量。
重复测量多次以获取可靠的实验数据。
5.处理实验数据：将实验数据输入计算机，使用数据处理软件进行数据处理和分析。
通过拟合实验数据，可以得到声波在液体中的传播速度。
6.清理实验现场：实验结束后，关闭激光器和声源等设备，并将实验现场清理干净。
四、实验结果与分析1.实验结果：通过实验测量和数据处理，得到声波在液体样品中的传播速度v（单位：m/s）。
超声波流量计测量流体声速的实验方法
3. 1. 超声波流量计测量流速 超声波流量计 探 头 安 装 前， 需要向流量计主机 输入（ 或选 择 ） 管 道 参 数， 包 括 材 质、 外 径、 壁 厚、 有
（ 4）
无衬里等， 流量计根 据 这 些 参 数 计 算 出 两 个 探 头 的 并以此为 依 据 对 两 探 头 的 安 装 距 离 进 行 安装距离， 适当微 调， 使超声波信号的质量和强度均达到最 佳， 微调前 确 保 管 道 中 充 满 液 体 介 质 ． 实 际 应 用 中 我们发现为保证超 声 波 流 量 计 正 常 工 作， 还需要输 — — 待 测 介 质 的 流 体 声 速， 也就 入一个重要 的 参 数 — 是说为了 实 现 超 声 波 流 量 计 对 不 同 温 度 的 流 体 介 质都能进行流速测 量， 必须事先知道相应温度下的 流体声速值， 这对于 一 些 特 殊 的 流 体 介 质 而 言 几 乎 是不可能做到的， 即便是常见的液体一般也只能得 知某一个或某几个 特 定 温 度 下 的 流 体 声 速 值 ． 若 流 体声速值无 法 得 知， 则 流 速 测 量 无 法 进 行． 通 过 实 践摸索我们发现可 以 这 样 来 解 决： 在 超 声 波 探 头 已 安装好且管道中充 满 待 测 流 体 介 质 时， 通过试凑法
［9 — 14］ ［7 ，8］ （ 又叫 振 幅 极 值 法） 、 、 相位比较法 反射回波 ［15 ， 16］ 、 时差法 等． 共 振 干 涉 法 和 相 位 比 较 法
2. 时差式超声波流量计测速原理
时差式超 声 波 流 量 计 通 过 一 对 探 头 发 射 和 接 收超声波， 当 超 声 波 在 流 体 介 质 中 传 播 时， 其顺流
图2
流体声速测量实验示意图
实验41-声光衍射法测定液体中的声速
大学物理实验教案实验名称：声光衍射法测定液体中的声速1 实验目的1）了解声光相互作用的原理，观察声光衍射的现象； 2）培养学生运用计算机进行综合物理实验的能力； 3）学会使用超声光栅测量液体中的声速。
2 实验仪器半导体激光器、声光衍射仪、科学工作室500型接口及软件、旋转移动传感器、光传感器、光具座、水槽、换能器、计算机3 实验原理及方法 3.1 实验原理声波在气体、液体介质中传播时，作为一种纵向机械应力波，它是以液体密度周期变化来进行传播的，会引起介质密度呈疏密交替的变化。
当光通过这种介质时，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射。
这种现象称为“声光衍射”，而存在着声波场的介质则称为“声光栅”。
当采用超声波时，通常就称为“超声光栅”。
超声波在液体中传播的方式可以是行波也可以是驻波。
行波形成的超声光栅，栅面在空间随时间移动。
图1示出了超声波行波在液体中传播某一瞬间的情形。
图1-a 表示存在超声场时，液体内呈现疏密相间的周期性密度分布，图1-b 为相应的折射率分布。
n 0表示不存在超声场时该液体的折射率。
由图可见，密度和折射率两者都是周期性变化的，且具有相同的周期，相应的波长正是超声波的波长λs .。
因为是行波，折射率的这种分布以声速V s 向前推进并可表示为),(),(0t Z n n t Z n ∆+= (1))(),(Z K n t Z n s s -∆=∆ω式中Z 为超声波传播方向上的坐标；ωs 为超声波的角频率；K s =2π /λs 为超声波的波数，λs 为波长。
由（1）式可见折射率增量∆n(Z, t)按正弦规律变化。
对于超声驻波，可认为超声光栅是固定于空间的。
如果在超声波前进方向上垂直地放置一个反射面，当调节它与波源间的距离使其为波长的整数倍，即l =K·λ/2时，则可形成超声驻波。
设前进波和反射波的传播方程分别为：∆nnn 0xλsV s图1-a图1-b 图1 超声行波场中的介质折射率分布)](2sin[),(1ss Z T t A t Z a λπ-=)](2sin[),(2ssZ T t A t Z a λπ+=（2）二者叠加，),(),(),(21t Z a t Z a t Z a +=,得（3）式说明叠加的结果产生了一个新的声波：振幅为2Acos(2πZ/λs )，即在Z 方向上各点振幅是不同的，呈周期性变化。
液体中超声波声速的测定
液体中超声波声速的测定人耳能听到的声波，其频率在16Hz 到20kHz 范围内。
超过20Hz 的机械波称为超声波。
光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。
利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。
一、 实验目的1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度二、 实验仪器分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。
三、 实验原理将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。
把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。
超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。
由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。
若用N 0表示介质的平均折射率，t 时刻折射率的空间分布为()()y K t N N t y N s s -∆+=ωcos ,0式中ΔN 是折射率的变化幅度；ωs 是超声波的波角频率；K s 是超声波的波数，它与超声波波长λs 的关系为K s =2π/λs 。
图1b 是某一时刻折射率的分布，这种分布状态将随时以超声波的速度v s 向前推进。
图1 密度和折射率呈周期分布如果在超声波前进的方向上垂直放置一表面光滑的金属反射器，那么，到达反射器表面的超声波将被反射而沿反向传播。
适当调节反射器与波源之间的距离则可获得一共振驻波（纵驻波）。
设前进波与反射波分别沿y 轴正方向传播，它们的表达式为()y K t A s s -=ωξcos 1()y K t A s s +=ωξcos 2其合成波为()()y K t A y K t A s s s s +=+-=+=ωξωξξξcos cos 121利用三角关系可以求出t y K A s s ωξcos cos 2=此式就是驻波的表达式。
“声光衍射与液体中声速的测定”实验改进探析
本文分析了传统实验方法的弊端 ， 尝试 了三
种 方法 改进 光斑 中心 位 置 的 测量 ， 证 明 了光 敏 电
北京 ： 高等教育 出版社 ， ２ ０ １ １ ．
［ ２ ］ 吴锋 ， 张昱． 大 学物 理实验 教程 ［ Ｍ］ ． 北京 ： 科学出
， ） ，
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二上
（ ２ ）
陶瓷 的逆 压 电效应 产生 超声 波并 在液槽 中产 生超 声 驻 波场 ， 形成 超 声 光 栅 。调 节 超 声波 的频 率 直 到满 足驻 波条件 ， 使 液 体疏 密 交 替 的密 度 分 布 达 到稳定 状 态而形 成 超 声 光栅 激 光 发 射 器 ， 发 出激
装 了一套简单可行 的测量衍射光斑 中心位置 的实验装置 ， 减小 了传统实验方 法中测量 光斑间距 的误差 ， 提 高了实验精度 。
关Leabharlann 键词： 声光衍射 ； 误 差分析 ； 实验改进
文献标志码 ： Ａ
中 图分 类 号 ： ０ ４ — ３ ３
１ 声光衍射 测定液 体 中声 速 的基 本
“ 声 光 衍 射 与 液 体 中声 速 的 测 定 ＂ 实 验 改 进 探 析
姚 雪 ， 樊玉勤 ， 王 伟 ， 廖 帅， 吴致平 ， 李天宇
（ 重庆科技学院 ， 重庆 ４ ０ １ ３ ３ １ ）
摘
要： 本文在分析“ 声 光衍 射与液体 中声 速的测定” 实验原理 的基础上 ， 提 出了实验改进方 法 ， 组
和Ｄ ， 再 代人 公式 （ ３ ）求 出液体 中的声速 ， 取 声
当时实 验温度 下 的理论 计算 值 比较算 出百分 误差
超声光栅衍射测量液体中声速的研究
超声光栅衍射测量液体中声速的研究唐煌（江苏技术师范学院基础课部，江苏常州２１３００１）摘要：介绍超声光栅的形成原理，解释如何利用超声光栅衍射来测量液体中的声速；通过水和乙醇中的声速测量，分析和比较实验结果，得出相应的结论，同时也提出其他的测量方法进行比较；对基于超声光栅衍射测量液体中声速的理论，给出一些讨论和思考。
关键词：声光衍射；超声光栅；声速；驻波中图分类号：Ｏ４２６．３文献标识码：Ａ０引言超声波是一种纵向机械应力波。
当超声波在盛有液体的玻璃槽（图１（ａ））中传播时，液体被周期性地压缩或膨胀，其密度会发生周期性的变化，形成疏密波。
稀疏作用会使液体密度减小、折射率减小，压缩作用会使液体密度增大、折射率增大。
因此液体密度的周期性变化，必然导致其折射率也相应地作周期性变化。
当光通过这种液体时，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射，这种衍射称为“声光衍射”。
存在声波场的介质则称为“声光栅”；当采用超声波时，通常就称为“超声光栅”。
１超声光栅的物理原理设超声行波以平面波的形式沿ｘ轴正方向传播时，波动方程可描述为收稿日期：２００５－０９－０５；修回日期：２００５－１２－０１作者简介：唐煌（１９７５－），男，江苏泰兴人，江苏技术师范学院基础课部讲师，主要研究方向：量子光学。
图１超声池的结构（ａ）及超声行波某一时刻的波形（ｂ）Ｆｉｇ．１Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎａｔｏｒ（ａ）ａｎｄｕｎｄｕｌａｎｃｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｕｎｄａｔａｔｉｍｅ（ｂ）（ａ）（ｂ）Ｄｅｃ．，ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＪＩＡＮＧＳＵＴＥＡＣＨＥＲＳＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ江苏技术师范学院学报Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．６２００５年１２月第１１卷第６期２００５ｙ（ｘ，ｔ）＝Ａｃｏｓ２π（ｔＴＳ－ｘλＳ）。
（１）式中ｙ代表各质点沿ｘ轴方向偏离平衡位置的位移，Ａ表示质点的最大位移量（振幅），ＴＳ为超声波的周期，λＳ为超声波的波长。
声光衍射测量声速的教学应用
声光衍射测量声速的教学应用张选梅 刘安平 何光宏 韩 忠 李巧梅 杨东侠 赵世轩（重庆大学物理实验国家级教学示范中心，重庆 401331）摘 要 声光衍射的方法测量超声波在液体中的速度是非常实用的方法，实验教学中也应用广泛。
教学过程中，由于学生测量的误差较大，使得计算出来的速度值与理论值相差甚大，因此本实验改进了声光衍射的实验方法，利用IDL(interactive data language)软件精确测量数据，提高实验的准确性，得出超声波在纯水中的传播速度随温度的变化情况。
关键词 声光衍射；图像处理；IDL 软件；教学常温下超声波在纯水中传播的速度为1500m ·s -1 [1]左右，1923年布里渊首次提出了声波对光波的作用，产生衍射效应，1933年在实验中证实[2]。
人们为测得超声波在液体中的速度，常采用声光衍射的方法。
由于实验中产生的声波频率大于20kHz ，故称此声波为超声波，以下简称声波。
声波在液体中传播时，由于液体的切变模量为零，声波以纵波的形式存在。
声波在液体中传播时,其声压使液体分子在声波传播方向来回振动，形成介质密度呈疏密周期性变化的液体声场，液体声场的折射率分布也呈周期性变化，此声场类似于光栅，对通过其的光具有分光的作用（衍射现象），因此称这种液体声场为“声光栅”，这种现象为“声光衍射”。
声光衍射在实验教学中应用广泛，但是传统的实验教学中用人眼估计衍射光斑的中心位置，为实验带来较大的误差，本实验将应用于教学的声光衍射实验进行改进，用摄影的技术将衍射的光斑记录在底片（玻璃片）上，利用IDL(interactive data language)软件精确确定光斑的位置，提高实验的准确性。
本实验在测量了4不同温度下纯水中超声波的传播速度，并得出超声波在纯水中的传播速度随温度的变化情况。
1 声光衍射测声速的原理声波在液体中的传播方式有行波和驻波，本实验所装液体的仪器为透明光滑的玻璃液槽，声波遇到光滑的玻璃液槽会发生反射，反射回去的波与原来的的波相互叠加形成驻波，因此本实验的声波在液体中传播的形式为驻波，随着时间的变化，声光栅的空间位置恒定。
声音在不同介质中的速度与密度实验研究
实验结果：声音在固体中的传播速度最快，液体次之，气体最慢
实验结论：声音在不同介质中的传播速度与其密度有关
分析声音传播速度与介质密度的关系
实验方法：通过测量声音在不同介质中的传播时间，计算传播速度
实验结果：得出声音在不同介质中的传播速度与介质密度的关系
实验目的：研究声音在不同介质中的传播速度与介质密度之间的关系
实验步骤： a. 设定声波频率和振幅 b. 测量不同介质中的声波速度 c. 记录数据并进行分析
数据处理： a. 计算声波速度与密度的关系 b. 绘制声波速度与密度的关系图 c. 分析实验结果，得出结论
实验结果： a. 声波在不同介质中的速度与密度的关系 b. 实验误差分析与改进措施
实验结果与数据分析
绘制声速与介质密度的关系图
实验目的：研究声音在不同介质中的速度与密度的关系
实验材料：不同密度的介质，如空气、水、玻璃等
实验方法：测量不同介质中声音的速度
数据分析：利用Excel或其他数据分析软件，绘制声速与介质密度的关系图
结论：声音在不同介质中的速度与密度存在一定的关系，具体关系需要根据实验数据得出。
测量仪器设置：选择合适的测量仪器，如麦克风、示波器等，并调整其灵敏度和精度。
声源设置：选择合验环境设置：确保实验环境安静、无干扰，避免外界声音对实验结果的影响。
介质设置：选择不同的介质，如空气、水、固体等，并确保介质的纯净度和稳定性。
实验操作步骤：按照实验方案进行实验操作，记录实验数据和结果。
进行声速测量
测量声源到接收器的距离
重复实验，获取多个数据点
准备实验器材：声源、接收器、计时器、尺子等
接收器接收到声音后，停止计时器
设定实验条件：温度、湿度、气压等
高中物理：测量声音在气液固体中的速度
测量声音在气体、液体、固体中的传播速度实验内容使气体、液体、固体中产生恒定波，用相同的原理测定声速。
把这3个实验当作一个系列，比较分子、原子的结合强度及声速的差异。
所需材料透明丙烯圆管，橡胶塞，木屑，喇叭，功放器，低频发送器，电线，定规，眼镜清洗器，玻璃管，银色的彩绘粉，厨房清洁剂，橡胶气球，胶条，铝棒，松香，麦克风，前置放大器，测频仪。
实验方法【声音在气体中的传播速度】空气中的昆特实验如图所示，在长2m，一端封口的玻璃管（事先放入木屑）的开口端上，安装一个直径相同的喇叭。
当声波的频率为共鸣频率f时，在恒定波的振幅最大处，木屑会呈现出条纹状，且跳动起来。
用定规测出相邻的两个振幅最大处之间的距离，这个值的2倍就是管内声波的波长λ。
根据公式v＝λf可以得知：声音在空气中的传播速度约为340m/s。
【声音在液体中的传播速度】利用眼镜清洗器进行水中的昆特实验如图所示，用橡胶气球把玻璃管的一端封闭。
向其中注入含有彩绘粉（铝粉）的悬浊的水。
加入少许厨房清洁剂，会使铝粉较容易扩散。
向眼镜清洗器中倒入水后，把玻璃管立于其中，打开开关。
玻璃管内的水柱产生恒定波，铝粉聚集。
用定规测出相邻的两个振幅最大处之间的距离，这个值的2倍就是管内声波的波长λ。
眼镜清洗器产生是超声波，f约为30～40kHz（说明书上的数据）。
根据公式v＝λf可以得知：声音在水中的传播速度约为1500m/s。
【声音在固体中的传播速度】如图所示，拿住长1m的铝棒的中央，在手指上涂抹松香后进行摩擦，铝棒发出清晰的声音。
用麦克风、功放器、测频仪测出声音的频率，f≈2500Hz。
当铝棒产生恒定波时，两端为自由端，那么波长λ＝2m。
根据公式v＝λf可以得知：声音在铝棒中的传播速度约为5000m/s。
固液声速测量心得体会
固液声速测量心得体会固液声速测量是一种常见的物理实验方法，可以用于研究和测量固体或液体材料的声传播特性。
通过测量声波在材料中的传播速度，可以了解材料的性质和结构，对材料的研究具有很大的意义。
在进行固液声速测量的过程中，我积累了一些经验和体会。
首先，准备工作非常重要。
在进行固液声速测量之前，需要仔细准备实验装置和材料，确保仪器的正常运行和材料的稳定性。
对于固体材料，需要选择合适的样品形状和尺寸，并进行充分的打磨和清洗，以消除材料表面的不均匀性和污染。
对于液体材料，需要选择适当的容器和控制液面的方式，以保证声波传播的均匀性和稳定性。
其次，精确测量是测量固液声速的关键。
在测量固液声速时，需要使用高精度的仪器和测量方法，以保证测量结果的准确性和可靠性。
常用的测量方法有共振法、相位法和时间差法等。
在使用这些方法时，需要注意仪器的校准和调试，确保测量结果的精确性。
同时，还需要注意环境条件的控制，如温度、湿度和气压等因素对声速测量结果的影响，以保证所得到的声速数据是可比较的。
另外，实验过程中的数据处理和分析也是关键所在。
在进行固液声速测量时，需要收集大量的数据，并进行后续的处理和分析。
数据的处理包括去掉异常值、平均处理和误差分析等，以提高测量结果的准确性和可靠性。
数据的分析包括对实验结果的解释和比较，以及对材料性质的推断和讨论。
在数据处理和分析过程中，需要注意科学的严谨性和合理性，不盲目追求结果的准确性而忽视实验误差的存在。
此外，固液声速测量过程中还需要注意安全和实验技巧。
声速测量通常涉及到高频的声波和高压力的环境，存在一定的安全风险。
因此，在进行实验时，需要严格遵守实验室的安全操作规程，佩戴好个人防护装备，确保自身的安全。
同时，需要掌握好实验操作的技巧，如调节仪器的参数、控制实验环境的条件和处理实验中的意外情况等，以确保实验的顺利进行和数据的可靠性。
最后，固液声速测量是一项综合性的实验，需要掌握一定的物理和实验知识。
声速的测定-兰州大学物理实验中心
2s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
声速的测定
2 A
uB2 , 其中, uB
仪
/
3 0.02mm /
3,uA t
5 i 2 /1010 1
i 1
u f 仪 / 3 0.1KHz / 3
u v v
u 2
uf 2 f
实验数据处理
数据记录表格（参考） 振幅极值法
极大值 位置
◆对于某一确定的l，满足sin[k(l-x)]=1处，振幅最大，波腹 ◆满足sin[k(l-x)]=0处，振幅最小，波节
实验方法
在驻波场中，空气质点位移的图像不能直接观察到，而声压却可以 通过仪器加以观测。
声压是空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的部分
声压驻波可以表示为
sin[k(l x) ]
实验方法
s1 接X通道, s2接Y通道，移动 s2得到如下李萨如图形：
0
2
3
2
s 结论：每次出现重复图形 2移动的距离为
2
﹡实 验 内 容
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
当l改变时，刚性平面处声压振幅也改变，且 p(l ) p(l) 2
根据p(l)随l周期变化的原理，可求出半波长
按实验原理图将仪器接好，调整信号发生器的频率f （约
固体声速测定
固体中声速测定一、实验目的通过实验了解超声波产生和在介质中传播的基本原理，并掌握利用超声波测速与探伤的基本方法。
二、实验内容1、通过时差法测量固体中声速2、利用超声波探测非金属固体样品中缺陷三．超声波原理1、声波常识声波是在弹性介质（固体、液体、气体）中传播的一种机械振动。
频率在20～20000Hz 的声波称为可听声波；频率高于20000Hz 声波称为可超声波；频率低于20Ｈｚ的机械波称为次声波。
在液体、气体中只能传播纵波，在固体中则既能传播纵波，也可以传播横波。
次声波、声波和超声波都是在弹性媒质中传播的机械波。
它们的区别主要在于频率不同。
声波的传播速度几乎与频率无关，但是由于速度与介质的密度有关，所以声波的传播速度对于温度和压强的变化很敏感。
在同一温度下，声波在液体与固体中的速度大于在空气中的速度。
介质对声波的吸收与声波频率有关，对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。
对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。
传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一。
固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。
例如，均匀介质对超声波的吸收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。
在各向同性的固体材料中，根据应力和应变满足的虎克定律, 可以求得声波传播的特征方程：222221tpp ∂∂=∇υ其中p 为声压，c 为超声波传播速度。
当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时,称为纵波；当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，称为横波。
无论是材料中的纵波还是横波, 其速度可表示为：td=υ 其中, d 为 声波传播距离, t 为声波传播时间。
对于同一种材料, 其纵波波速和横波波速的大小一般不一样，但是它们都由弹性介质的密度、杨氏模量和泊松比等弹性参数决定, 即影响这些物理常数的因素都对声速有影响。
相反, 利用测量超声波速度的方法可以测量材料有关的弹性常数。
一种简单测量液体声速的实验装置
一种简单测量液体声速的实验装置
张淑丽;耿忠江
【期刊名称】《物理实验》
【年(卷),期】1996(016)006
【摘要】一种简易测量液体声速的实验装置张淑丽，耿忠江（齐齐哈尔医学院）（新疆伊宁卫生学校）用超声波测量各种液体声速的方法已有许多种，其原理是利用超声仪（幅度调制型）来测出超声波在液体中传播的距离和时间，再计算出声速．我们设计了一种用Ａ型超声仪（双迹）从具有刻...
【总页数】1页(P285)
【作者】张淑丽;耿忠江
【作者单位】齐齐哈尔医学院;新疆伊宁卫生学校
【正文语种】中文
【中图分类】TB52
【相关文献】
1.声波干涉演示、声速测量实验装置 [J], 朱成标;黄飞;陈永庭
2.声速测量实验装置设计与实现 [J], 侯林涛;陈美銮;翟志雄
3.一种测量不同温度下液体声速的实验装置 [J], 田凯;王宁;王照平
4.声波干涉演示、声速测量实验装置 [J], 朱成标
5.一种测量液体声速的兰姆波传感器 [J], 陈智军;李良儿;施文康;郭华伟
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液体及固体介质声速测量
（陈忠2013301020155 武汉大学物理科学与技术学院）
摘要：本实验用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波在不同介质中的的传播速度，利用声波的传播速度与其频率和波长的关系和声波传播所经过的距离和传播时间的关系可获得声速。
关键词：声速，介质，时差法，相位比较法，共振干涉法。
Abstract: This study measured ultrasonic wave propagation velocity in different media with resonance interferometry, phase comparison method and the difference method, the relationship between distance and travel time relations and the use of acoustic wave propagation velocity of propagation of sound waves and their frequency and wavelength through which can get the speed of sound.
Key words: speed of sound, media, time difference, phase comparison method, resonance interferometry.
导言：声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于Hz20的声波称为次声波；频率在kHz20~Hz20 的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在kHz20以上的声波称为超声波。
由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。
在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。
实验原理：
1.共振干涉法
实验装置如图1所示，图中和为压电晶体换能器，作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。
当和的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即
(3)
时，发出的声波与其反射声波的相位在处差(n=1，2 ……)，因此形成共振。
因为接收器的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。
本实
验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。
从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。
图中各极大之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。
我们只要测出各极大值对应的接收器的位置，就可测出波长。
由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。
2.相位比较法
波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。
沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍。
利用这个原理，可以精确的测量波长。
实验装置如图1所示，
沿波的传播方向移动接收器，接收到的信号再次与发射器的位相相同时，一国的距离等于
与声波的波长。
同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。
实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号，它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信号的位相差有关，当两信号
之间的位相差为0或时，椭圆变成倾斜的直线。
3．时差法
用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。
由信号源提供一个脉冲信号经发出一个脉冲波，经过一段距离的传播后，该脉冲信号被接收，再将该信号返回信号源，经信号源内部线路分析、比较处理后输出脉冲信号在、之间的传播时间t，传播距离L可以从游标卡尺上读出，采用公式(2)即可计算出声速。
4．逐差法处理数据
在本实验中，若用游标卡尺测出个极大值的位置，并依次算出每经过个的距离为
这样就很容易计算出。
如测不到20个极大值，则可少测几个(一定是偶数)，用类似方法计
算即可。
实验数据与结果：
固体用时差法;
1：有机棒中的声速
v
2．铜棒中的声速：
v
液体中的相位比较法和共振干涉法：
水中的声速相位法：温度：t= 13。
9 0C 谐振频率：f=37598 HZ
141.95mm
λ=
11577.24/
v m s =
240.53mm
λ=
21523.85/
v m s
=
水中的声速共振干涉法：温度T=13.90C 谐振频率：f=37598 HZ
群速度与相速比较:
群速度和相速度是导波理论中的重要概念，也是导波的主要参数。
群速度（cg ）是指脉冲波的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度，它是波群的能量传播速度。
通俗的说，群速度是关于一族频率相近的波的传播速度。
而相速度（cp）是波上相位固定的一点传播方向的传播速度。
值得注意的是，导波以其群速度向前传播。
相速度表格
t/
误差与结论；1 关于误差
其实做这个实验需要极其精细的操作。
为了得到更精确的结果，不仅要每个人时刻集中精力观察仪器，操作仪器，而且需要两个人的默契配合。
当然，还是有一些最基本的需要注意的地方，如操作距离旋钮时，旋转最好不要太快，接近读数点时要放慢速度，最好不要逆向旋转旋钮；示波器的图像最好调节到合适的大小位置，以便观察和减小误差。
观察李萨如图像时应选取水平或垂直线段中的一者为标准，否则无法判断移动的是波长还是半波长。
此时应将图像尽量放大，因为观察重合时图像较小会导致误差很大。
当然最终测得的结果还是有一定的误差，但误差已经很小了。
观察测得得空气中声速发现几种测量方法的测量结果都偏大，一个重要的原因就是空气中含有水蒸汽及其它杂质，声音在这些物质中的传播速度都要比在空气中的传播速度大，所以最后的测量结果都偏大。
而使用相位法测得的结果与真实值最接近，因为这个方法观察图像时，是在图像变化到重合时读数，判断图像重合成直线是相对容易的，所以误差会较小
本实验通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。
例如，测量氯气（气体）、蔗糖（溶液）的浓度、氯丁橡胶乳液的密度以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。
可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
同时，通过液体中声速的测量，了解水下声纳技术应用的基本概念。
）客观评价本方案的优缺点
该实验谐振频率变化对超声声速的测量结果影响可以忽略不计，而波长的变化比谐振频率变化所引起的超声声速的测量结果影响大得多，不可以忽略不计。
从而可知该实验结果产生误差的主要原因来自超声声速波长的准确测定，也可以把谐振频率作为常数来进行数据处理。
参考文献：赵凯华钟细华主编。
光学。
北京大学出版社
杭州精科空气、液体及固体介质中的声速测量实验讲义。