相位比较法测量空气中的声速2
第四实验__用相位法测声速知识讲解
第四实验__用相位法测声速实验四用相位法测声速一、实验目的1.、学习用相位法测量空气中的声速。
2.、了解空气中的声速与温度的关系。
3、提高声学、电磁学等不同类型仪器的综合使用能力。
4、了解换能器的原理及工作方式。
二、实验仪器综合声速测定仪、综合声速测定仪信号源、双综示波器。
三、实验原理测量声速一般的方法是在给定声音信号的频率f情况下，测量声信号的波长λ，由公式v fλ=，计算出声速v。
相位法测量声速的原理。
由信号源产生的一正弦波信号，一方面由“示波器”端钮将信号送入示波器的“CH1（X轴）”，另一方面由“换能器”端钮将信号送入综合测定仪的“S1”，再传送到“S2”，然后送入示波器的“CH2(Y轴)”。
在示波器上将显示出两个频率相等、振动方向相互垂直、位相差恒定的利萨如图形。
由于两信号到达时间不同（或存在有波程差）而产生相位差。
2Lϕπλ=相位差不同，利萨如图形也不同。
如1sin()X A t ωϕ=+2sin()Y A t ωϕ=+两者相位相同或相位差为2π的整数倍，合成为一条直线。
如果两者相位差为2π的奇数倍，即1sin()2X A t πωϕ=++ 2sin()Y A t ωϕ=+ 合成后的利萨如图形为椭圆。
可见利萨如图形随相位差的变化而改变。
当连续移S2，以增大S1与S2之间的距离时L ，利萨如图从直线到椭圆再到直线变化，如图2所示。
当L 改变一个波长时，两信号的相位差改变2π，图形就重复变化。
这样就可以测量出波长的长度。
四、实验步骤1、按图1接线，将换能器间距离调整到约50mm 。
信号源输出频率为0f ，大约为36000Z H 。
2、打开示波器电源，预热5分钟，待出现一条绿色的水平线。
将开关置于“CH1”，显示X 方向的正弦波形，然后将开关置于”CH2”,显示Y 方向的波形。
应使两者的幅度大致相等。
幅度不应过大。
3、将示波器的旋钮旋到X Y ↔位置，示波器出现“椭圆”图形。
将图形调至中间。
空气中声速的测量实验报告
《大学物理实验》
实
验
报
告
实验名称：空气中声速的测量
专业班级：组别：
姓名：学号：
合作者：日期：
然要求S1和S2端面严格平行？说明理由。
答：因为只有当S1和S2表面保持互相平行且正对时，S1和S2间才能形成驻波，才会出现波腹和波节，S2表面才会出现声压极大值，屏幕上才会出现正弦波振幅变化，由此可测超声波波长。
在相位比较法中不要求S1和S2端面严格平行。
因为相位比较法是通过李萨如图形来观察相位的变化，图形的形成是两个相互垂直的振动的叠加。
不需要形成驻波，故不要求S1和S2端面严格平行。
声速测定实验
声速测定实验声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。
声波在媒质中传播时，声速，声衰减等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性及状态变化。
例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量；气体、液体的比重、成分等参量。
在自由空间同一媒质中，声速一般与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。
由于超声波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。
超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。
实验目的1．了解超声换能器的工作原理和功能2．学习不同方法测定声速的原理和技术3．熟悉测量仪和示波器的调节使用4．测定声波在空气及水中的传播速度实验原理1.压电陶瓷换能器压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上会产生一定的电场E，它们满足线性关系：E=g·F反之，当在压电材料的极化方向上加电压E时，材料的伸缩形变S与电压E也呈线性关系：S=a·E系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。
本实验采用压电陶瓷超声换能器，将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动。
压电陶瓷片是换能器的工作物质，它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡，锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。
在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属，组成的夹心型振子，就构成了换能器。
由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩，这样所发射的声波，方向性强，平面性好。
每一只换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频率上，才能有效的发射(或接收)。
本实验中使用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，二换能器的表面互相平行，且谐振频率匹配。
2.声速的测量方法声速的测试方法可以分为两类。
第一类方法是直接根据速度关系式：v=S/t测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，该法称为“时差法”，这是工程应用中常用的方法。
第二类方法是利用波长频率关系式：v=f·λ测量出频率f和波长λ来计算出声速，测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”，本实验可用上述三种方法测量气体、液体以及固体中的声速。
声速测定实验
声速测定实验声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。
声波在媒质中传播时，声速，声衰减等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性及状态变化。
例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量；气体、液体的比重、成分等参量。
在自由空间同一媒质中，声速一般与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。
由于超声波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。
超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。
实验目的1．了解超声换能器的工作原理和功能2．学习不同方法测定声速的原理和技术3．熟悉测量仪和示波器的调节使用4．测定声波在空气及水中的传播速度实验原理1.压电陶瓷换能器压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上会产生一定的电场E，它们满足线性关系：E=g·F反之，当在压电材料的极化方向上加电压E时，材料的伸缩形变S与电压E也呈线性关系：S=a·E系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。
本实验采用压电陶瓷超声换能器，将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动。
压电陶瓷片是换能器的工作物质，它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡，锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。
在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属，组成的夹心型振子，就构成了换能器。
由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩，这样所发射的声波，方向性强，平面性好。
每一只换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频率上，才能有效的发射(或接收)。
本实验中使用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，二换能器的表面互相平行，且谐振频率匹配。
2.声速的测量方法声速的测试方法可以分为两类。
第一类方法是直接根据速度关系式：v=S/t测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，该法称为“时差法”，这是工程应用中常用的方法。
第二类方法是利用波长频率关系式：v=f·λ测量出频率f和波长λ来计算出声速，测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”，本实验可用上述三种方法测量气体、液体以及固体中的声速。
用相位法测声速(最新整理)
用相位法测声速【实验目的】1、学习用相位法测量空气中的声速。
2、了解空气中的声速与温度的关系。
3、提高声学、电磁学等不同类型仪器的综合使用能力。
4、了解换能器的原理及工作方式。
【实验仪器】综合声速测定仪、综合声速测定仪信号源、双综示波器。
【实验原理】1、声波的波速测量声速一般的方法是在给定声音信号的频率情况下，测量声信号的波长，由f λ公式，计算出声速。
u f λ=u图 2 实验连线示意图3、相位法测量声速的原理图2为实验连线示意图，它由综合声速测试仪、信号源、和示波器组成。
声速测试仪装置的支架上部装有游标尺，游标尺的刀口下部装有两只压电换能器。
作为发射超声波用的换能器固定在刀口的左端。
另一只接收超声波用的换能器装在刀口的右端，可沿着游1S 2S 标尺移动。
两只换能器的相对位移可从游标尺上读得。
使换能器发射超声波的正弦电压1S 信号由信号源供给。
正弦电压信号的频率直接在信号源的数码管上显示出来。
换能器把2S 接收到的超声波压转换成电压信号，用示波器观察。
由信号源产生的一正弦波信号，一方面由“示波器”端钮将信号送入示波器的“（1CH轴）”，另一方面由“换能器”端钮将信号送入综合测定仪的“”，再传送到“”，然X 1S 2S 后送入示波器的“(轴)”。
在示波器上将显示出两个频率相等、振动方向相互垂直、2CH Y 位相差恒定的利萨如图形。
由于两信号到达时间不同（或存在有波程差）而产生相位差。
2Lϕπλ=相位差不同，利萨如图形也不同。
即11sin()X A t ωϕ=+ 22sin()Y A t ωϕ=+合成后的方程为这是一个稳定的椭圆利萨如图形。
当时210ϕϕ-=或这是一直线方程。
即两者相位相同或相位差为的整数倍时，合成为一条直线。
2π当时212k λϕϕπ-=±合成后的利萨如图形为正椭圆。
可见利萨如图形随相位差的变化而改变。
当连续移,增大2S 与之间的距离时，利萨如图将从直线到椭圆再到直线变化，如图3所示。
空气中超声传播规律的研究、超声声速的测量
空气中超声传播规律的研究、超声声速的测量1、掌握用驻波法和相位比较法测量空气中的声速。
2、加深对驻波和振动合成理论知识的理解，了解超声压电换能器的结构和原理。
3、进一步掌握信号源和示波器的使用，培养综合使用仪器的能力。
1、理解驻波法和位相法测声波波长的原理。
2、掌握用驻波法和相位比较法测超声波波长的方法。
理论联系实际；实验观察与比较；精讲与指导讨论相结合。
3个学时一、前言声波是在弹性介质中传播的一种机械波。
振动频率在20 ~ 20000Hz的声波为可闻声波，频率超过20000Hz的声波称为超声波。
对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。
声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。
在石油工业中，常用声波测井获取孔隙度等地层信息，在勘探中常用地震波勘测地层剖面寻找油层。
测量声速最简单的方法之一是利用声速与振动频率f和波长λ之间的关系（即u fλ=）来进行的。
由于超声波具有波长短、能定向传播等特点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。
本实验就是测量超声波在空气中的传播速度。
超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。
在实际应用中，对于超声波测距、定位测液体流速、测材料弹性模量、测量气体温度的瞬间变化等方面，超声波传播速度都有重要意义。
二、实验仪器SVX-3声速测定仪，信号源，双踪示波器，屏蔽导线等。
三、实验原理声波的传播速度u与其频率f和波长λ之间的关系为u fλ=，实验时，测得声波的频率f和波长λ，即可算出u。
测定声速常用的方法有相位比较法和驻波法等。
1.驻波法如下图所示由声源S 1发出的平面简谐波沿x 轴正方向传播，接收器S 2在接收声波的同时还反射一部分声波，当S 1和S 2表面互相平行时，声波在S 1、S 2之间，S 1发出的声波和S 2反射的声波之间形成干涉而出现驻波共振现象。
设沿x 方向入射波的方程为:沿x 负方向反射波方程为:两波相遇干涉时，在空间某点的合振动方程为(驻波方程):12cos 2()cos 2()x xy y y A ft A ft ππλλ=+=-++(2cos 2)cos 2xA ft ππλ=当2/λn x =;(n =1,2,…)位置时，声振动振幅最大,为2A ,称为波腹，当4/)12(λ-=n x ,(n =1,2，…)位置上声振动振幅为零,这些点称为波节。
实验二空气中声速的测量
y2
A cos t
2
x
（4）
大 这两列波叠加后的合成为
南 东
y
y1
y2
Acos t
2
x
Acos t
2
x
(5)
2 A cos
2
电极
头部（铝）
中 距离。S1和S2之间的距离由毫米分度尺与测微 学 鼓轮的组合读出。
两个换能器的性能完全相同，是压电陶瓷
验 超声换能器，其结构如图 8 所示。压电陶瓷超
级 声换能器由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。
1 实 压电陶瓷片（如钛酸钡、锆钛酸铅等）是由一 1 种多晶结构的压电材料做成的，在一定温度下
测量氯气、蔗糖、硫酸等气体或溶液的浓度；测定输油管中不同油品的分界面等等。
使 本实验是测定超声波在空共振干涉法、相位比较法和时差法测量声波在空气中的传播速度； 中 2． 了解压电换能器的功能及发射和接收超声波的方法。
学 实验原理 验 在理想气体中声波的传播速度为
大，变到极小，再变到极大。幅度每经一次周期性变化，就相当于S1与S2之间的距离改变了 半波长/2。S1与S2间距的变化用螺旋测微装置测得，超声波源的振动频率f仪器上显示，这
使 样就可以求得声速v。
心 2．相位比较法
生 实验装置如图 1 所示。从超声源S1发出的超声波通过介质到达接收头S2，在发射波和接 中 收波之间产生了相位差。分别将发射波和接收波输入示波器的“CH1”和“CH2”通道，可
学 以观察到如图 3 所示的波形。图中的就是两者之间的相位差，改变S1和S2之间的距离，可
以观察到的变化。此相位差和角频率（f）、传播时间、声速v、S1和S2之间的距
声速的测量相位比较法
声速的测量相位比较法声速的测量相位比较法，这个名字听起来有点吓人吧？别担心，咱们今天就像聊家常一样，轻轻松松搞明白这个话题。
想象一下，声音就像那活泼的小朋友，跑来跑去，有时候在你耳边响起，有时候却远在天边。
声音的速度可不是随心所欲，它在空气中的速度差不多是343米每秒，听起来是不是有点神奇？说到这里，或许你会想，咱们怎么能测出声音的速度呢？科学家们想出了一个挺聪明的方法，就是用相位比较法。
这相位比较法听上去有点复杂，但其实道理简单得很。
你可以把它想象成在操场上比赛，两个孩子起跑，虽然他们出发的时间不同，但只要你观察他们到达终点的时间，就能知道谁跑得快。
这个方法就像是在测量声音的“到达时间”。
说到声音，嘿，咱们都知道它是由波动组成的，像涟漪一样在空气中传播。
科学家们就利用这些波动的特性，来计算出声速。
先来说说设备，这可不是随便找个麦克风就能搞定的。
咱们需要一些专业的仪器，比如频率计和相位测量仪。
这些东西就像是你参加演出时需要的乐器，不可或缺。
想象一下，频率计像是一个聪明的助手，它可以测量声波的频率。
而相位测量仪就像是个细心的裁判，能告诉你波动的相位差。
你看，设备齐全，测量就能开始啦。
咱们得想办法让声音传播到两个不同的地方。
你可以想象一个大大的空旷场地，声音从某个地方发出，然后它分成两条路，一条直接走，另一条则绕远路。
通过这两条路的相位差，我们就能算出声速。
听起来是不是有点像侦探在破解案件？没错，科学就是这样的有趣。
想象一下，那个瞬间，当你听到声音的时候，你其实是在与大自然的对话。
声音不仅仅是空气中的波动，它还传达着情感和信息。
比如，你听到朋友呼喊的那一刻，恰好是声音经过大气，抵达你耳边的那一瞬间。
哎呀，这种感觉简直太妙了！在相位比较法中，我们就能通过测量这个“对话”的时间差，去了解声音的本质。
说到这里，我得提醒你一下，这个方法虽然听起来简单，但实施起来可得小心翼翼。
每个细节都可能影响结果，就像做饭时盐放多了会毁了整道菜。
实验4.2 测量超声波在空气中的传播速度
测量超声波在空气中的传播速度【实验简介】声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。
声波的振动频率在20Hz～20KHz时，可以被人听见；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20KHz的声波称为超声波。
对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。
声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。
本实验分别采用驻波法和相位法测量超声波在空气中的传播速度。
【实验目的】1. 学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。
2. 深刻理解驻波的特性，以及相位的物理含义。
3. 了解产生和接收超声波的原理。
【预习思考题】1. 什么是驻波以及驻波的特点是什么？2. 什么是共振？如何判断测量系统是否处于共振状态？3. 如何确定最佳工作频率？4.相位法中比较的相位是哪两个相位？【实验仪器】示波器，声速测试仪，信号发生器。
【实验原理】1. 声速的测量声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系：测出声波波长和声源的振动频率就可以由式（4.2.1）求出声波的传播速度。
声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。
1.1 驻波法测声速驻波法就是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波进行测量的。
由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。
改变声源和刚性反射面之间的距离l ，驻波场中各质点振动的振幅也在发生变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足 2λn l = （4.2.2）时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。
保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x ，在满足式（4.2.2）的位置上可以观察到驻波共振状态。
由式（4.2.2）可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离x ∆为2λ，即 2λ=∆x ( 4.2.3)只要测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离x ∆，就可以求出声波的波长，从而由式( 4.2.1 )计算出声速。
13--SS_声速测定实验仪实验指导及操作说明书_2015-03-11
ZKY-SS声速测定实验仪实验指导及操作说明书四川世纪中科光电技术有限公司地址：四川省成都龙泉驿经济技术开发区南二路309号鼎峰动力港邮编：610100 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006网址； E-mail: ZKY@ZKY.C n2015-03-11ZKY-SS型声速测定实验仪技术说明书【概述】ZKY—SS型声速测定实验仪是为测量在空气、液体中声波传播速度而设计的专用仪器。
仪器可用于大学基础物理实验，是振动与波、压电陶瓷应用、示波器应用和声纳技术应用的一个好实验。
ZKY—SS型声速测试仪不但覆盖了基础物理声速实验中常用的二种测试方法，还可以用工程中实际使用的声速测量方法—时差法进行测量。
在时差法工作状态下，使用示波器，可以明显地观察声波在传播过程中经过多次反射、叠加而产生的混响波形。
ZKY—SS型声速测试仪有ZKY—SSA型和ZKY—SSB型两个子型号产品。
【实验装置介绍】实验仪由超声实验装置（换能器及移动支架组合）和声速测定信号源组成；另有水槽（选购件）和固体试验样品（选购件）。
超声实验装置中发射器固定，摇动丝杆摇柄可使接收器前后移动，以改变发射器与接收器的距离。
丝杆上方安装有数字游标尺(带机械游标尺)，可准确显示位移量。
整个装置可方便的装入或拿出水槽。
声速测定信号源面板上有一块LCD显示屏用于显示信号源的工作信息；还具有上下、左右按键，确认按键、复位按键、频率调节旋钮和电源开关。
上下按键用作光标的上下移动选择，左右按键用作数字的改变选择，确认按键用作功能选择的确认以及工作模式选择界面与具体工作模式界面的交替切换。
同时还有超声发射驱动信号输出端口（简称TR,连接到超声波发射换能器）、超声发射监测信号输出端口（简称MT,连接到示波器显示通道1）、超声接收信号输入端口（简称RE，连接到超声波接收换能器）、超声接收信号监测输出端口（简称MR，连接到示波器显示通道2）。
相位法测声速实验报告
相位法测声速实验报告实验日期：2021年9月1日实验名称：相位法测声速实验实验对象：空气实验过程：1.实验原理在实验中，我们使用了相位法测量声速。
具体来说，我们通过麦克风和扬声器来收集声波的相对时间延迟，从而计算出声波的速度。
2.实验步骤（1）将微波炉干燥的花生米放在扬声器的正面，以便声波可以更好地通过。
（2）将扬声器的输入（signal）与函数发生器连接。
我们使用了一个正弦波，频率为1KHz。
（3）使用麦克风记录从扬声器发出的声波。
（4）将麦克风的输出（out）连接到示波器的通道1，将扬声器的输入（signal）连接到示波器的通道2。
（5）将示波器切换到XY模式，以便我们可以看到相位的差异。
（6）调整示波器的横向和纵向控制，以便我们可以看到两个波形之间的相对相位差异。
（7）测量麦克风到扬声器的距离，并使用相对时间延迟计算声波的速度。
实验结果：我们进行了三次实验，每次实验测量了声波的延迟时间和设备之间的距离距离。
以下是我们的结果：实验次数声波延迟（微秒）设备之间的距离（厘米）声速（米/秒）1 4.3 44 3182 4.5 45 3203 4.4 43 317平均速度：318.3 m/ s实验结论：通过使用相位法测量声速，我们得出了每次实验的声波延迟时间和设备之间的距离。
我们通过计算每次实验的声速，得出了平均速度为318.3米/秒。
虽然我们的结果与实际声速略有差异，但这是可以接受的。
通过此次实验，我们更好地理解了相位法的原理和操作方法。
我们相信这对我们今后的实验研究和工程开发都将有所帮助。
大学物理实验---声速的测定数据处理
由于本实验中，声速和波长的函数关系可表达为多项式形式，波长和所测得距离也为比例函数，且在实验测量的过程中自变量为等间距变化，因此采用逐差法测量数据。
其优点是能充分利用测量数据而求得所需要的物理量,提高测量精度。
一、共振干涉法测量空气中的声速由干涉理论可知，ΔL=λ/2，V=fλ=2fΔL这两组线性关系。
实验中等间距的出现波腹或波节，相当于游标卡尺的位置也是等间距来变化的，对测量的数据进行逐差法处理数据。
由逐次相减的数据可判断出Δl i基本相等，验证了ΔL与λ的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。
因此×∑ΔLi，ΔL平均=4.802mm,有ΔL平均=19V=fλ=2fΔL平均=2×37×103×4.802×10-3=355.348m/s，并且此速度是在温度T0=300K测得。
二、相位比较法测量空气中的声速实验中采用测量两个相同李萨如图像的位置点来测量波长。
选取的李萨如图形是∆∅=π时的斜直线，比较容易判断，减小实验误差，测得的数据进行逐差法处理。
由逐次相减的数据也可判断出Δl i基本相等，验证了ΔL与λ的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。
因此有ΔL平均=19×∑ΔLi，ΔL平均=9.444mm,V=fλ=fΔL平均=37×103×9.444×10-3=349.428m/s，并且此速度也是在温度T0=300K测得的。
三、时差法测量空气中的声速由逐次相减的数据也可判断出Δt i基本相等，验证了Δt i与V的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。
因此有Δt平均 =19×∑Δti，Δt平均=14.2us,ΔL=20mm,V=ΔLΔt平均=20×10−314.2×10−6=1408.451m/s,并且此速度也是在温度T0=300K测得的。
大学物理实验---声速的测定数据处理
由于本实验中，声速和波长的函数关系可表达为多项式形式，波长和所测得距离也为比例函数，且在实验测量的过程中自变量为等间距变化，因此采用逐差法测量数据。
其优点是能充分利用测量数据而求得所需要的物理量,提高测量精度。
一、共振干涉法测量空气中的声速由干涉理论可知，ΔL=λ/2，V=fλ=2fΔL这两组线性关系。
实验中等间距的出现波腹或波节，相当于游标卡尺的位置也是等间距来变化的，对测量的数据进行逐差法处理数据。
共振干涉法测量空气中的声速（已知谐振频率f o=,T0=300k）测量次数i 位置L i/mm逐次相减ΔL i=L i+1-L i/cm 等间隔对应项相减ΔL5=L i+5-L i/cm12345678101910由逐次相减的数据可判断出iλ的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。
因此有ΔL平均=，ΔL平均=,V=fλ=2fΔL平均=，并且此速度是在温度T0=300K测得。
二、相位比较法测量空气中的声速实验中采用测量两个相同李萨如图像的位置点来测量波长。
选取的李萨如图形是=时相位比较法测量空气中的声速测量次数i位置L i/mm逐次相减Δl i=l i+1-l i/cm 等间隔对应项相减Δl5=l i+5-l i/cm12345671228910由逐次相减的数据也可判断出Δl i基本相等，验证了ΔL与λ的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。
因此有ΔL平均=，ΔL平均=,V=fλ=fΔL平均=，并且此速度也是在温度T0=300K测得的。
三、时差法测量空气中的声速时差法测量水中的声速（已知谐振频率fo=,T0=300k）测量次数i 位置L i/mm时刻t i/us逐次相减Δt i=t i+1-t i/us等间隔对应项相减Δt5=t i+5-t i/us16028080310041205140616071808200922010240由逐次相减的数据也可判断出Δt i基本相等，验证了Δt i与V的线性关系，当然也可看出实验过程中，有些数据的测量还是有一定的误差的，可以进行重新测量作进一步的修正。
空气中的声速测量
空气中的声速测量作者：袁淑立于桂凤潘维来源：《科技视界》2015年第33期【摘要】空气中的声速测量是个综合性很强的物理实验，在实际应用中也具有非常重要的意义，因此许多高等院校都把它列为必选的基础实验。
本文用共振干涉法和相位比较法对空气中的声速进行了研究，得到声波在空气中的传播速度分别为341.54 以及 341.99m s-1，与理论值343.54 m s-1比较接近，最后对实验数据进行了误差处理。
【关键词】声速；空气；共振干涉法；相位比较法0 引言近几年来随着声学的发展，检测声学在现实生活中得到了越来越广泛的应用。
比如：无损检测、流体测速、探伤、定位、测距等[1]。
声速的测量在声学检测领域占有非常重要的地位。
空气中的声速测量实验因其应用性强、便于操作、易于实现等优点被很多高校选作基础物理实验。
媒质的特性及状态等因素决定了声波在其中传播的速度，通过媒质中声速的测定，如：测量氯丁橡胶乳液的比重、氯气、蔗糖的浓度以及输油管中不同油品的分界面等等可以了解媒质的特性或状态变化，因此声速测定在某些工业生产上具有非常重要的实用意义[2]。
在教学中一般采用以下两种理论方法来测量声速：第一种是测量声波传播的距离s和时间t，然后根据公式v=s/t计算出声速。
这种方法中学采用的比较多。
另一种是测量声波的频率f和波长λ。
然后根据任何相邻的振幅最大值的位置之间波动过程中波速v、波长λ和频率f之间存在着下列关系：v=λf，计算出声速[3]。
目前高校中普遍采用的是这套理论。
而在实际操作中，也有很多不同的方法来实现。
例如双踪示波法[4]，声音共鸣法[5]，驻波法[6]等。
本文中本文用共振干涉法和相位比较法首先测定了声速在空气中的传播速度，并与理论值进行比较，然后进行误差分析，以便检测测量方法的实用性。
1 理论方法1.1 共振干涉法（驻波法）声源S1发出的声波经空气传播到位置S2，S2在接收S1的声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面与发射面严格平行，则入射波就在接收面上垂直反射，反射波与发射波会产生相干涉就会形成驻波。
大学物理实验系列——空气中的声速测量讲义
声压 S2 S1 返回
2. 相位法
波是振动状态的传播,也可以说是相位的传播. 波是振动状态的传播,也可以说是相位的传播. 沿传播方向上的任何两点,其振动状态相同(同相 同相: 沿传播方向上的任何两点,其振动状态相同 同相 相 位差为0)或者说其相位差为 或者说其相位差为2π的整数倍时两点间的距 位差为 或者说其相位差为 的整数倍时两点间的距 离应等于波长λ的整数倍 的整数倍, 离应等于波长 的整数倍,即 l = n λ (n为一正整数) (n为一正整数 为一正整数) 利用这个公式可测量波长. 利用这个公式可测量波长. 相位法又可分为行波法和李萨如图形法. 相位法又可分为行波法和李萨如图形法. 行波法
声速的测量
物理实验中心
实 验 目 的
1,学会用振幅法何位相法测定空气 , 中的声速 2,学习数字式函数发生器,示波器 ,学习数字式函数发生器, 的使用 3,了解声速测量的应用和发展 ,
目
录
一,声速的特点 二,声速的实验原理 三,声速的测量原理
1. 振幅法 2. 相位法
四,实验仪器
1.声速测量仪 1.声速测量仪 2.传感器 2.传感器 3.示波器 3.示波器 4.信号发生器 4.信号发生器
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行波法
将发射信号和接收信号同时输入到示波器, 将发射信号和接收信号同时输入到示波器 , 此 时示波器上同时显示的发送和接收电信号. 时示波器上同时显示的发送和接收电信号 . 当改变 两个换能器之间的距离时, 发送信号不变, 两个换能器之间的距离时 , 发送信号不变 , 而接收 电信号( 正弦波) 的幅值和位置均发生变化, 电信号 ( 正弦波 ) 的幅值和位置均发生变化 , 当接 收电信号的位置与发射信号的位置前后两次重合时 接收器走过的距离,就是信号的波长. 接收器走过的距离,就是信号的波长.
声速的测定(精)
声速的测定声波是在弹性介质中传播的一种机械波。
声波特性的测量是声学技术中的重要内容，特别是声速的测量，在定位、探伤、测距等应用中都具有重要的意义。
本实验是利用压电金陶瓷换能器技术来测量声波在空气中的速度。
一、 实验目的（1） 了解换能器的原来及工作方式。
（2） 学会用共振干涉法和相位比较法测量空气中的声速。
二、 实验原理在波动过程中，波速v 、波长λ和频率f 之间存在下列关系：v f λ= (6.1.1)通过实验，测出波长λ和频率ƒ，就可求出声速v 。
常用方法有驻波法和位相比较法两种。
1． 驻波法测声速两个超声换能器间的距离为L ，其中左边一个作为超声源（发射头S 1），信号源输出的正弦电压信号接到S 1 上，使S 1发出超声波；右边的作为超声的接收头S 2 ，把接收到的声压转变成电信号后输入示波器观察。
S 2在接收超声波的同时，还向S 1反射一部分超声波，这样由S 1发出的超声波和由S 2反射的超声波在S 1和S 2之间的区域干涉而形成驻波。
驻波相邻两波峰（或波节）之间的距离为半波长。
改变L 时，在一系列特定的位置上，S 2面接收到的声压达到极大值（或极小值），相邻两极大值（或极小值）之间的距离皆为半波长，此时在示波器屏上所显示的波形幅值发生周期性的变化，即由一个极大值变到极小，再变到极大，而幅值每一次周期性的变化，就相当于L 改变了半个波长。
若从第n 个共振状态变化到第n+1个共振状态时，S 2移动的距离为△L，则(1)222L n n λλλ∆=+-=即2L λ=∆ 2v f f L λ==∆ （6.1.2）2． 相位比较法测声速从S 1发出的超声波通过媒质传到接收头S 2，接收头和发射头之间便产生了位相差ω，此位相差的大小与角频率2f ωπ=、传播时间t 、声速v 、波长λ以及S 1 和S 2之间的距离L 有下列关系：22L L t f v ϕωππλ=== (6.1.3)由此可以推出，L每改变一个波长λ，位相差就变化2л，通过观察位相差的变化△φ，便可测出λ。
声速的测量——精选推荐
声速的测量超声声速测量预习提纲1、实验任务：（1）⽤相位法、共振法测空⽓中的声速；（必做）（2）⽤时差法测空⽓中的声速；（选做）2、实验原理：（1）压电陶瓷换能器如何进⾏⼯作的？（2）驻波如何形成？（3）三种测量⽅法的主要实验原理如何？（4）i x ?是半个波长还是⼀个波长？（5）如何利⽤逐差法计算波长？（25x λ=?，测10个数据⽤逐差法进⾏处理）3、操作规范：（1）为什么要进⾏谐振频率调节？如何调？（2）如何理解⽰波器上的的直线、椭圆图形？（3）如何避免回程差？（4）时差法中如何调节使接收波信号幅度始终保持⼀致？（5）如何正确使⽤⽰波器？4、数据处理：（1）逐差法是采⽤逐项逐差还是隔项逐差；（2）如何设计表格及必要数据的具体计算过程；（3）为什么时差法中延迟时间1i i t t --必需是三位有效数？5、结果讨论和误差分析：（本次实验项⽬的重点）。
（1）⼆种或三种测量⽅法的优劣⽐较，定量分析引起误差的原因；（2）百分差⼀般控制在5%以内。
超声声速测量数据记录表格设计提⽰实验数据及结果：1、共振⼲涉法：温度：t= ± 0C 谐振频率：f = ± H2、相位⽐较法：(参照共振⼲涉法)数据处理：1、共振⼲涉法：5,i i i x x +?=-()5i i i x x x +?-?=?===仪x S m==---x m ??==---25x m λ??=??=--- 15ix x m ?=?∑?=--25x mλ=?=--25x m λ??=??=--mV f S==--V m f Sλ?=?=--()V mV V S =±?=--±--()331.45S m mV V S S ===--100%%V VVE ??=--=100%%SSV VV E P -?=--= 2、相位⽐较法：计算过程同上3、时差法：30.01510L m -??==? 同理:60.510ts -??=? Lm V S t==--V m V S ?==--()V mV V S =±?=--±--100%VV E V=100%SP SV V E V -=?误差分析举例结果讨论及定性分析：1、从百分差中可知，共振⼲涉法的误差最⼤，其次是相位⽐较法，最⼩是时差法。
物理实验教案：空气中超声传播规律的研究 超声声速的测定
﹡实验目的与要求
1. 掌握用驻波法和相位比较法测量空气中的声速 2. 加深对驻波和振动合成理论知识的理解，了解
超声压电换能器的结构和原理 3. 进一步掌握信号源和示波器的使用，培养综合
使用仪器能力
﹡实 验 原 理
一、 共振干涉法（驻波法） p
波腹 L
干涉而成驻波
S1发射
S2反射
波 节
二、 相位比较法（行波法）
L 干涉而成驻波
S1发射
S2反射
声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场 在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但 它和声源的振动相位差Δj不随时间变化。
j 2 L
S1接X通道,S2接Y通道，移动S2,得到如下李萨如图形：
j 0 j
2
j j 3
2
结论：每次出现重复图形S2移动的距离为λ
2
3
2
2
L
S2表面声压与其位置的关系
当换能器S1与S2的表面平行时，由换能器S1的震动产生的 超声波在S1、S2两表面之间形成驻波，在接收换能器S2处 是振幅的波节位置（理论推导）、声压的波腹位置，即该
处位移为零，声压最大。当S1、S2的间距满足一定条件时， 出现稳定的驻波现象，此时接收器S2表面的声压振幅最大， 改变S1、S2的间距，可以测量到一系列的声压最大的位置， 而这些相邻位置的间距就是超声波半波长的大小。
同李萨如图形时所对应的接收头的坐标
﹡数据记录与处理
1.逐差法计算波长 ，得到10 L5 L9 L4 L6 L1
位
1 25
l10 l5
l9 l4
l6 l1
2.计算超声波在空气中传播速度的公认值 v公认 ，求出两种测