“声速测量”电子讲义
声速的测量 (2).pdf
图（二）
测出一个周期接收换能器的距离变化量
l = 和 f 频率，用公式V = f 算出声速。
= 0
= 3 /2
= /2 =
= 2
图（三） 李萨如图形
四、实验内容和要求 1、共振干涉法测空气中声速 （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，使两者平行正对，再右移接收换能器，使 其与发射换能器保持一定的距离（5-10cm）。 （3）调节信号源的输出幅度以及频率，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 38KHz 左右，记下频率（谐振频率）和实 验室的温度。
1、共干涉法（驻波法）
如图（一）所示，超声波发射换能器与超声波接收换能器平行正对，超声波发射换能器
发出超声波向右传播，遇到接收换能器后发生反射，此时发射换能器与接收换能器之间的入
射波与反射波传播方向相反并且满足相干条件，因此两列波叠加干涉形成驻波，相邻波腹和
波节间距离都为 ，当接收换能器移至波腹处接收信号最强，实验中通过移动接收换能器 2
（mm）
水 = f =
（m/s）
E = v水 - 理论 =
%
v理论
六、思考题：
（1）共振干涉法和相位比较法测声速有何不同？ （2）在实验过程中调节谐振频率的目的是什么？ （3）在用相位比较法时，为什么要在李萨茹图形为直线时进行测量？
4
（4）向后移动接收换能器，在表 1 中依次记下驻波波腹的位置 li 。 （5）用逐差法计算出波长的平均值和声速 v空气 ，对比理论值 v理论 ，计算相对误差。
2、相位比较法测量空气中声速
声速测量讲义
声速测量讲义声速的测定在弹性介质中，频率从20 Hz 到20 kHz 的振动所激起的机械波称为声波，⾼于20kHz ，称为超声波，超声波的频率范围在2×104 Hz -5×108 Hz 之间。
超声波能在固体、液体和⽓体中传播，传播速度就是声波的传播速度。
超声波具有波长短、穿透本领强、易于定向发射等优点，常⽤作声速测量中的波源。
超声波在测距、定位、测液体流速和测量⽓体温度等⽅⾯有其显著的优势，尤其是在临床医学中，超声、电⼦技术和计算机的完美结合，在研究⼈体内部组织超声物理特性和病变间的某些规律⽅⾯，已成为不可缺少的诊疗⼿段，并发展为⼀门边缘学科即超声诊断学。
声速作为超声波的重要参数，⽆论是基础研究，还是临床应⽤，它的测量都具有重要意义。
⼀．实验⽬的1．了解超声波的产⽣、发射和接收的原理；2．⽤驻波法、位相法和时差法测量空⽓中的声速；3．进⼀步熟悉⽰波器的使⽤；4．学习⽤逐差法处理测量数据。
⼆．实验仪器SV-DH 系列声速测试仪，MDS-620双踪⽰波器，声速测试仪信号源。
三．实验原理1．声波在空⽓中的传播速度声波在理想⽓体中的传播速度为RTv M γ= （1）式中γ是⽐热容⽐（γ=C P /C V ），R 是普适⽓体常数，M 是⽓体的摩尔质量，T 是热⼒学温度。
从式（1）可见，温度是影响空⽓中声速的主要因素。
如果忽略空⽓中的⽔蒸⽓和其他杂质的影响，在0℃（T 0=237.15K ）时的声速00331.45RT v m s M γ==在t ℃时空⽓中的声速为 01273.15t t v v =+ （2）式（2）中的室温t 可从⼲湿温度计（见附录）上读出。
由（2）式可计算出声速，（2）式可作为空⽓中声速的理论计算公式。
2．超声波与压电陶瓷换能器本实验采⽤压电陶瓷换能器作为超声波的发射器和接收器。
压电陶瓷换能器的⼯作⽅式分为纵向（振动）、横向（振动）和弯曲振动三种，教学实验中⼤多采⽤纵向换能器，其结构如图1所⽰。
声速测定讲稿
3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=。
教学实习-PPT-声速测量
实验原理
二、声速测量原理
１.利用声速Ｃ、频率f和波长λ间的关系：
Ｃ = f× λ ２.如果声波在媒质中 t 时间内传播的距离为 L，则声 速为 Ｃ = L/t
实验原理
三、共振干涉法
信号发生器
游标卡 尺x
示波器
X
A S 1 S
2
当发声器发出的声波经接收器反射后，波将在两端面间来回反射并且叠加，形成驻波。 驻波就是两列频率、振幅和传播速度完全相同，但传播方向相反的两列波的叠加
实验仪器
声速测量仪、FD-SV-D超声波测距综合试验D
实验仪器
干湿球温度计
先读取干球温度、湿球温度示数，湿球温度总 比干球温度要低。 计算干球温度与湿球温度的差值，旋转中心的 轴，找到对应的差值处。 在轴侧寻找干球温度，其所对应的轴上示数即 为相对湿度。
实验仪器
注意事项
1.应当注意单方向移动接收器，否则将会 产生螺间距误差。 2.游标卡尺要缓慢平稳操作，不要迅速移 动，防止磨损过快
数据处理
记录实验室的温度湿度，查找其对应的Pw。
1）共振干涉法 逐差法获得半波长，计算声速。与理想声速对比，计算百分误差。 可以同时记录信号的最大强度，画出最大强度的下降曲线。 2）相位比较法 使用逐差法，获得半波长，进而获得声速。与理想声速对比，计算百分误差。 3）时差法 方法一：画出图线，使用最小二乘法处理数据。与理想声速对比，计算百分误差。 方法二：对波包进行傅里叶变换，分析图案。与方法一的时间对比（方法一的时间精度要高） 4）反射法测距 通过记录的数据，计算同侧的超声波发生器与接收器之间的距离。
实验内容
1、调节仪器：获得最佳频率：
实验仪调整为相位测量模式。 信号源：一接口接超声发生器、一接口接示波器的1通道（CH1） 信号接收放大：输入端接超声接收器、输出端接示波器的2通道 （CH2） 观察CH2的信号，按下POSITION，使得信号置中。 只显示CH2的信号，界面上显示有CH2的最大电压值。 调节游标尺，使得读数归零。 将游标尺调节到最近的位置，调节信号源的示数，获得最大的信 号电压值，记下此处的位置。界面上显示有频率值，记下该频率 值f。
声速测量PPT课件
05
声速测量的实际应用案例
水下声速测量在海洋探测中的应用
总结词
水下声速测量在海洋探测中具有重要意义，能够提供海洋环境参数、水下地形地貌、水下目标物等信 息。
详细描述
水下声速测量是通过声波在水中传播的速度进行测量，可以获取水深、水温、盐度、流速等海洋环境 参数，同时还可以探测水下地形地貌和目标物，如沉船、潜艇等。这些信息对于海洋科学研究、海洋 资源开发、海洋环境保护等方面具有重要意义。
分析实验结果，探究声速与介质、温度等因 素的关系。
数据处理
根据实验数据计算声速的平均值、标准差等 统计指标。
结论总结
根据实验结果得出结论，总结实验的意义和 价值。
04
声速测量中的误差分析
测量误差的来源
仪器误差
测量仪器本身存在的误差，如灵敏度、 分辨率等。
环境因素
如温度、湿度、气压等环境条件的变 化，可能影响声速的测量结果。
用于记录和处理实验数 据。
如水、玻璃板、橡皮泥 等，用于辅助实验操作。
选择一个相对安静、无 干扰的环境进行实验。
实验步骤与操作
安装设备
将声速测量仪的发射器和接收器分别固定在 两个相对的位置上，确保它们之间的距离可 调。
调试设备
调整发射器和接收器的角度和高度，确保信号 能够顺利传输。
开始测量
在电脑中打开声速测量软件，开始记录数据。
空气中声速测量在声音传播研究中的应用
要点一
总结词
要点二
详细描述
空气中声速测量在声音传播研究中具有重要价值，能够揭 示声音传播规律、声源特性以及声音控制技术。
空气中声速测量是通过测量声波在空气中的传播速度，可 以研究声音传播规律，如声波的干涉、衍射、散射等现象 。同时还可以研究声源特性，如声功率、声压级、频率特 性等。此外，空气中声速测量还可以应用于声音控制技术 ，如消音、隔音、声音定向传输等。这些研究对于声音环 境保护、声音信号处理、音频设备研发等方面具有重要意 义。
声速的测定实验讲义
( L4 L1 ) ( L5 L2 ) ( L6 L3 ) 3 3 3 ( ) 2 3
2
(L
i 1
3
i 3
Li )
32
相位法测量声波波长
仪器
信号发生器
示波器
声速测定仪
2 1 n (n 0,1,2, , , , )
相位比较法
大学物理实验
声速的测定
主讲教师：陈畅 实验地点：青岛理工大学物理实验中心505
声音的本质？ 机械振动 频率 振幅
音量
音调
▲ 频率低于20Hz的声波称为次声波； ▲ 频率在20Hz-20kHz的声波可以被人听
到，称为可闻声波； ▲ 频率在20kHz以上的声波称为超声波。
v f
空气中的声音到底长什么样子？
从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为 φ=ωt =2πf/v=2π l /λ
S1与S2之间变化一个波长λ，φ相位差变化2π ，示波器上所观察到的李萨如图随之变化一个 周期。
相位法操作演示
相位比较法
P281页 表6-12 逐差法
连接电路后，连续移动S2，读取对应的S2的位置坐标
斜率为正 的李萨茹 直线
8
S 2坐标 179mm 26 0.02mm 179.52mm
P281 表6-11 逐差法
Li
1 L1
2 L2
3 L3
4 L4
5 L5
6 L6
( L2 L1 ) ( L3 L2 ) ( L4 L3 ) ( L5 L4 ) ( L6 L5 ) ( ) 2 5
大家都只读取 左边的图对应 的S2坐标，相 邻的两次读数 之差= λ
《声速的测量》PPT课件
太原理工大学物理实验中心
一、声波背景 二、实验目的 三、实验原理 四、实验仪器 五、实验内容 六、数据处理
一、声波背景
1、声音与我们的生活 2、声速测量的目的 3、声速测量的发展
1.声音与我们的生活
自然界中充满了各种各样的声音：收音机里播放的悦耳音 乐声，飞机掠过长空时扰人的噪声，狂风的呼啸声，海祷 的 怒吼声，爽朗的欢笑声，欢畅的交谈声，……等等，在日常 生 活中处处都可以听到。可见声音与我们的生活是密切相关 的。
lx2x1
(2)李萨如图法
从s1发出的超声波通过媒质达到接收头s2， 在发射波和接收波之间产生相位差，此相位差φ 和角频率ω（ω=2πf）、传播时间τ、声速v、距 离l、波长λ之间有下列关系：
2fv l 2l
由上式可知，若要使相位差φ改变2π，那么， s1和s2的间距l就要相应地改变一个波长λ 。于是， 根据相位差的2π变化，便可以测量出波长来。声 波频率由信号源读出，根据上式便可算出声速。
我们可以通过示波器来观察相位差。互相垂直 的两个谐振动的合成，能得到李萨如图形。如果两 个谐振动的频率相同，则李萨如图形就很简单。随 着两个振动的相位差从0→π变化，图形从斜率为 正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。选择判 断比较灵敏的亦即李萨如图形为直线的位置作为测 量的起点。每移动一个波长的距离就会重复出现同 样斜率。
2. 相位法
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: 相位差为0)或者说其相位差为2π的 整数倍时两点间的距离应等于波长λ的整数倍， 即
l = n λ (n为一正整数)
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。
声速测定仪实验讲义(SV5)
空气介质中的声速测量(SV3型声速测定仪使用说明) (SV5型声速测定专用信号源)实验讲义空气介质的声速测量声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于Hz 20的声波称为次声波；频率在kHz 20~Hz 20的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在kHz 20以上的声波称为超声波。
超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。
因而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），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。
【实验目的】1．了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。
2．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。
【实验原理】在波动过程中波速V 、波长λ和频率f 之间存在着下列关系：λ•=f V ，实验中可通过测定声波的波长λ和频率f 来求得声速V 。
常用的方法有共振干涉法与相位比较法。
声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系：t V L •= ，只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V ，这就是时差法测量声速的原理。
1．共振干涉法（驻波法）测量声速的原理：当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。
对于波束1：)/X 2t cos(A F 1λ•π-ω•=、波束2：()λ•π+ω•=/X 2t cos A F 2，当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：()t cos /X 2cos A 2F 3ω•λ•π•=，这里ω为声波的角频率，t为经过的时间，X 为经过的距离。
由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按()λ•π/X 2cos 变化。
如图1所示。
压电陶瓷换能器1S 作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器2S 则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。
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λ和频率f ，由公式V f λ=算出声速。
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2λ，当接收器移至波腹处接收信号最强，实验中通过移动接收器依次记下波腹位置，它满足：2l kλ=，,1,2,k i i i =++测出相邻波腹间距112i i l l l λ+∆=-=和频率f ，用公式V f λ=算出声速。
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x 与y 输入端，两个同频率振动方向相互垂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l λ∆=和f 频率，用发射换能器图（一）发射换能器图（二）图（三） 利萨如图形四、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。
声速的测量 课件
1
声波是一种在弹性介质中传播的机械 波，声波的测量在定位、探伤、测距 等应用中具有十分重要的意义。一般 使用的声波是超声波，超声波是具有 较高频率（频率高于20KHZ），可以 定向传播的机械波。本实验用来测量 超声波在空气中传播的速度。
2
一、实验目的
1、学习测量空气中声速的原理和方法 2、学习一种非电量的电测法 3、学会用逐差法处理数据
另外，当 sin kl 1 时，波腹的振幅最小，实际上不能形成驻波； 当 sin kl 0 时，波腹趋于无穷，表示达到共振状态。
实际上，由于声波传播中的阻尼衰减，共振时的波腹只能达到有限的数值。
11
驻波场中空气质点位移图像不能直接观察到，但是由质点位移引起的声 压却可以通过仪器加以观测。
声压就是空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那部分压强，根 据声学理论，声压驻波可表示为
17
4、改变发射头与接收头之间的距离，由近而远，观察示波器，可 看到示波器上显示的信号幅度发生周期变化，即由一个极大到极 小，再变到极大，配合使用微调装置，依次确定好幅度极大值对 应的发射头各位置li，并从游标尺上依次记下读数l1、l2、…… l10，由于声波在空气中衰减较大，随着发射头远离接收头，振幅 会越来越小，如图所示。
10
将声源所在位置定位坐标原点，在驻波场中，坐标为x的空气质点，它的 位移y为
y a sin k(l x) cost
sin kl
圆频率：ω＝2πf 波数：k=2π/λ
振幅：a 声源与反射面间的距离：l
对于确定的l，当 sin k(l x) 1时，振幅最大，处于波腹； 当 sin k(l x) 0时，振幅最小，处于波节。
sin kl
“声速测量”电子讲义
声速的测量实验简介声波是在弹性媒质中传播的一种机械波、纵波，其在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。
通过媒质中声速的测量，可以了解被测媒质的特性或状态变化，因而声速测量有非常广泛的应用，如无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等。
本实验用压电陶瓷超声换能器来测定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、了解产生和接受超声波的原理。
实验仪器示波器 声速测试仪 信号发生器实验原理声波在空气中传播，其传播速度υ和声源的振动频率f 以及波长λ有如下关系λυf =测出声波的波长和声源的振动频率，就可以求出声波的传播速度。
1、声波的发射和接收利用压电换能器实现声波的发射与接收，为避开环境声音对实验的影响，频率选自超声段。
2、驻波法测声速根据波动理论，频率为f 的声波经介质到反射面，若反射面与发射面平行，则声场中同时存在两列波，其叠加的结果如下设沿x 方向的入射波方程为)2cos(11λπωxt A Y -=反射方程为)2cos(22λπωxt A Y +=当A A A ==21时，则介质中某一位置的合振动方程为t xA Y Y Y ωλπcos )2cos2(21=+=当πλπK x=2时，合振动振幅最大，当2)12(2πλπ+=K x时，合振动振幅最小。
通过实验装置，测出两次合振幅最大（小）的位置，即可算出波长λ。
将其代入公式λυf =中即可求出声波的波速υ。
3、相位法测声速 入射波方程)cos()2cos(1111ϕωλπω+=-==t A xt A Y X反射方程为)cos()2cos(2222ϕωλπω+=+==t A xt A Y Y介质中某一位置的合振动方程为)(sin )cos(2122122221222212ϕϕϕϕ-=--+A A xy A y A x 上述方程轨迹为椭圆，其长短轴和方位由相位差12ϕϕ-决定。
声速的测定ppt课件
1 -20 0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
-40
-60
-40
-80
-60
干涉 发射 反射
干涉 发射 反射
结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为 2
实验方法 2．相位比较法
从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为 φ=ωt =2πf/v=2π l /λ
S1与S2之间变化一个波长λ，φ相位差变化，示波器上
点位移为波节的地方，声压为波腹。
在作为反射面的刚性平面处，空气质点的位移恒为零，声压恒为波
腹，其振幅为
p(l) 0va
sin kl
实验方法
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
T0
P 气的饱和蒸汽压
实验装置
实验方法
1．共振干涉法
图中S1和S2，为压电陶瓷超声换能器，S1作为超声源(发 射)，低频信号发生器发出的正弦电压信号接到换能器后，即 能发出一平面声波。S2作为超声波的接收头，接收的声压转 换成电信号后输入示波器观察，S2在接收超声波的同时还反 射一部分超声波。
实验方法
所观察到的李萨如图随之变化一个周期。
实验方法
同时将信号源发射端接入示波器的X轴、反射端接入示波器 的Y轴，示波器采用X-Y扫描、这时示波器将显示一椭圆或 直线。
当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大小会随发 射－接收的距离l发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。
利用李萨如图形找出同相（Φ=0）或反相（Φ=）时椭圆退 化为右斜或左斜直线，调整接收器的位置，注意屏幕上出现 的椭圆相位（例如Φ=0或Φ=），继续移动接收换能器、直 到椭圆或直线的相位完全重复上述椭圆或直线的相位、这时 所移动距离恰好为一个波长，为使测量值更加准确，可多移 动几个波长。采用逐差法处理数据。
文档：声速的测量 讲义
声速的测量在弹性介质中，频率从20Hz到20kHz的振动所激起的机械波称为声波，高于20kHz，称为超声波，超声波的频率范围在2×104Hz-5×108Hz之间。
超声波的传播速度，就是声波的传播速度。
超声波具有波长短，易于定向发射等优点，在超声波段进行声速测量比较方便。
超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。
因而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、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重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。
本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度，它是非电量电测方法的一个例子。
一、实验目的1．了解超声波的产生、发射和接收方法；2．用干涉法和相位法测量介质中的声速；3．复习用逐差法进行数据处理，复习示波器的使用，熟悉振动合成。
二、实验原理频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。
在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。
υ,其中υ为波速, λ为波长,f为频率。
根据声波各参量之间的关系可知f⋅=λ图1共振法测量声速实验装置在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f求声速。
声波的频率f可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。
图2 相位比较法测量声速实验装置1.共振干涉(驻波)法测声速由声源S1发出的声波（频率为f ），经介质（空气）传播到S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。
如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。
声速测定电子教案
优秀教案名师精编 1 页第案理院学院教专用纸学原中工名师精编优秀教案中原工学院理学院教案专用纸第2页共振干涉法实验装置图图1? 2．共振法测量波长S发出的声波（频率为），经介质（空气）传播由声源f1SS在接收声波信号的同时反射部分声波信号。
如果接收到，22SS）严格平行，入射波即在接收面上垂直面（）与发射面（12反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。
反射面处是位移的波x，在一系节，声压的波腹。
改变接收器与发射源之间的距离x等列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波共振现象。
此时于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。
通过压电转换，产生的电信号的电压值也最大（示波器显示波形的幅值最大）。
因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收Δx???2Δx）（，并用面之间的距离，即可得到该波的波长?计算出声速。
?v?f名师精编优秀教案中原工学院理学院教案专用纸第 3 页名师精编优秀教案中原工学院理学院教案专用纸第 4 页图4 共振干涉法、相位法测量仪器连接方法信号。
（2）调节专用信号源上的“发射强度”旋钮，使其输出电压在20V左右，然后将换能器测试仪接线盒上的接收端接P-P至示波器，将两声能转换探头靠近，按下CH2开关，调整信号频率，观察接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5kHz～39.5kHz之间，因不同的换能器或介质而异）电压SS相匹配的频率点。
幅度最大，此频率即是压电换能器、21SS的距离，使示波器的正弦波振幅最大，、（3）改变21再次调节正弦信号频率，直至示波器显示的正弦波振幅达到最f。
大值。
记录此频率优秀教案名师精编中原工学院理学院教案专用纸第 5 页优秀教案名师精编中原工学院理学院教案专用纸第 6 页优秀教案名师精编波面随时间作周页7 第纸用专案教院学理院学工原中优秀教案名师精编。
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声速的测量
实验简介
声波是在弹性媒质中传播的一种机械波、纵波，其在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。
通过媒质中声速的测量，可以了解被测媒质的特性或状态变化，因而声速测量有非常广泛的应用，如无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等。
本实验用压电陶瓷超声换能器来测定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、了解产生和接受超声波的原理。
实验仪器
示波器 声速测试仪 信号发生器
实验原理
声波在空气中传播，其传播速度υ和声源的振动频率f 以及波长λ有如下关系
λυf =
测出声波的波长和声源的振动频率，就可以求出声波的传播速度。
1、声波的发射和接收
利用压电换能器实现声波的发射与接收，为避开环境声音对实验的影响，频率选自超声段。
2、驻波法测声速
根据波动理论，频率为f 的声波经介质到反射面，若反射面与发射面平行，则声场中同时存在两列波，其叠加的结果如下
设沿x 方向的入射波方程为
)2cos(11λ
πωx
t A Y -
=
反射方程为
)2cos(22λ
πωx
t A Y +
=
当A A A ==21时，则介质中某一位置的合振动方程为
t x
A Y Y Y ωλ
πcos )2cos
2(21=+=
当
πλ
πK x
=2时，合振动振幅最大，当
2
)
12(2π
λ
π+=K x
时，合振动振幅最小。
通过实验装置，测出两次合振幅最大（小）的位置，即可算出波长λ。
将其代入公式
λυf =中即可求出声波的波速υ。
3、相位法测声速 入射波方程
)cos()2cos(1111ϕωλ
πω+=-
==t A x
t A Y X
反射方程为
)cos()2cos(2222ϕωλ
πω+=+
==t A x
t A Y Y
介质中某一位置的合振动方程为
)(sin )cos(2122
1222
21222212ϕϕϕϕ-=--+A A xy A y A x 上述方程轨迹为椭圆，其长短轴和方位由相位差12ϕϕ-决定。
1、若012=-ϕϕ，则有
x A A Y 1
2
=
其轨迹为一直线，在一、三象限。
2、若πϕϕ=-12，则有
x A A Y 1
2
-
= 其轨迹也为一条直线，在二、四象限。
两条直线图形的距离间隔为半个波长，由此可以测出波长，再根据λυf =即可求出声波的波速υ。
实验内容
1、驻波法测声速
2、相位法测声速
实验步骤
1、驻波法测声速 a 、按下图进行连接。
b 、转动距离调节手柄，使声速测量仪的发射端和接收端的两个端面相距为1cm 左右，调节信号发生器的频率为40kHz 左右，观察示波器上波形幅度的变化，当接收到信号幅度最大时，记录信号发生器的频率f ，并在实验中保持不变。
c 、缓慢转动距离调节手柄，使声速测量仪的接收端远离发射端，并记录示波器上波形幅度最大时的位置，连续记录20个，相邻读数的差值为
2
λ。
e 、用逐差法求波长λ，最后求出波速υ。
2、相位法测声速
a 、按下图进行连接，将示波器的“扫描频率”旋至“y x -”位置；
b 、缓慢转动距离调节手柄，观察示波器上图形的变化，当出现直线图形时，记录接收端的位置读数，连续记录20个，相邻读数的差值为2
λ。
c 、用逐差法求波长λ，最后求出波速υ。
数据记录
问题与讨论
1、声波的传播速度与温度等条件有关，当空气的温度变化时，声速将怎样变化？
2、本实验选取超声频段以减小干扰，如果要求测试可闻声波频段，实验装置应如何改进?
3、可否测量声波在水中的传播速度？若能测量，实验装置应如何改进？利用此装置可否测量某种液体的密度？简述实验方案。