大物实验声速测量讲义
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 $其中，v是声速，f是声波的频率，λ是声波在介质中的波长。
在本实验中，发射器会产生一定频率的声波，并通过传声管将声波传递到接收器中。
接收器将信号转换为电信号，发送到计时器上。
实验者使用计时器测量声波从发射器到接收器之间的时间差，然后根据声波频率计算声波的波长，最后通过上述公式计算出气体中的声速。
实验步骤1.准备实验设备。
将发射器和接收器连接在气瓶上。
将宽口瓶放置在声波传播的路径上，并将水平塑料管连接到宽口瓶上。
在水平塑料管中放入一定量的水，直至水超过塑料管中心的标记。
将计时器连接到接收器上。
使用数码万用表检查所有连接线路是否连接正确，并检查设备是否正常工作。
2.测量实验温度和压力。
在测量声速之前，需测量被测气体的温度和压力。
应根据玻意耳定律对气瓶中的气体进行压力和温度的测量，并记录测量结果。
3.理论计算。
根据气体的压力和温度以及声波频率的测量值，计算出声波的波长。
波长的计算公式为：$ \lambda = \frac{v}{f}$其中，v是声速，f是声波的频率。
4.测量声波传播时间。
使用计时器测量声波从发射器到接收器的传播时间。
重复2-3次，取平均值。
实验注意事项1.实验者需仔细阅读实验说明，并按指南正确操作实验设备。
2.实验者需正确清洁实验设备，并注意消毒。
3.实验者需保持设备的稳定性和准确性。
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。
大学物理实验教程：声速的测量
之间有以下关系
四、实验原理
1. 声波在空气中的传播速度 由波动论可知, 波的频率ƒ、波速v和波长
可见, 只要测量出声波的频率和波长, 就可以求出声速。
2.声速的理论值计算方法 声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程, 传播速度为
Байду номын сангаас
是空气定压比热容和定容比热容之比（
）, R是摩尔气体常数, M是气
体的摩尔质量, T是热力学温度。从式可以看出, 温度是影响空气中声速的主要
2. 共振干涉法（驻波法）测量波长 游标卡尺放至10cm左右, 观察示波器, 找到任意接收波的最大值（波腹位置）, 然后, 移动游标卡尺, 这时波形的幅度会发生变化, 记录振幅最大时的位置Li, 再向发射端移动, 当接收波形振幅再次达到最大时, 记录此时的位置Li＋1。 波长
连续记录6次, 填入表2-1。, 用逐差法处理数据, 根据
一、实验目的
实验 声速的测量
1.了解超声波的产生、发射、传播和接收，压电陶瓷的声电转换功能
2.熟悉低频信号发生器、数字频率计和示波器的使用
3.掌握用共振干涉法、相位比较法测量超声波的传播速度
二、实验仪器
声速测量仪、示波器。其中声速测量仪装置如图2-1（a）（b）所示:
1 . 幅度调节旋钮 2 . 频率调节旋钮 3 . 4 . 发射信号输出端口 5 . 6 . 连接示波器端口 7 .超声发 射端 8 . 超声接收端 9 . 接收信号输出端 10.12.锁紧螺丝 11.微调螺母 13.游标卡尺 14.主尺 15.发射信号输入端口
其中A1 = A2 = A。
声压
由可知, 当
（k = 1, 2…）位置上, 为驻波的 波腹, 声振动的振幅最大。
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。
大学物理实验-声速的测定
大学物理实验-声速的测定声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。
声速是描述声波在媒质中传播的特性的一个基本物理量，它最简单的测量方法是直接从声速的振动的频率和波长之间的关系（即）测得。
本实验利用压电陶瓷的声电可逆效应来发射和接收超声波，并借助于示波器来进行测量。
超声波具有波长短、定向性强且无噪音等优点，所以实验室常用超声波来测量声速。
在实际应用中，测超声波传播速度对于超声波测距、定位、探伤、液体流速、材料的弹性模量、气体温度的瞬间变化等方面都有十分重要的意义。
【实验目的】1．通过测定声波在空气中传播的速度，了解声波的特性。
2．用相位差法和驻波法测声速，加深振动合成和波动干涉理论的理解。
3．进一步掌握示波器、信号发生器的使用。
【实验原理】声速在理想气体中的传播可认为绝热过程，其传播速度为：f λf v λ=（1）式中为气体分子量，为摩尔气体常数，为气体比热容比，为开氏温度，若以摄氏温度表示：代入（1）式得对于空气介质，0℃时的声速。
若同时考虑到空气中水蒸汽的影响，校准后的速度理论值为：式中为相对湿度,从实验室干湿温度计中查得。
为℃时的饱和蒸气压，为此时的大气压，从实验室中福廷气压计上读取。
它们的读法分别见空气密度测量一节中附录1和附录3。
实验测量声速，实际上声源频率是已知的，主要是测量声音传播的波长，波长测量方法有以下两种： 1．驻波共振法μγRT v =μR γT t T T +=0Tt v T t T R t T R v +=+⋅=+=11)(0000μγμγs m v 45.3310=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=P SP T t v W 032.01145.3310理S 0W P t P设有从发射器发出的一定频率的声波，经空气媒质传播，到达接收器，如果接收面和发射面平行，即入射波在接收面上垂直反射，则两列波发生迭加（干涉）形成驻波。
驻波虽不受两波源间的距离条件的限制，但实际上驻波形成的强度、稳定性都因距离的不同而有很大的差异，同时只有当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时才能共振，驻波的共振不仅与系统的固有频率有关，而且取决于边界条件，即发射端面和接收端，由端面的性质可知必定是波节（如图1）。
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。
大学物理实验声速的测量
大学物理实验声速的测量第五章大学物理拓展实验实验一声速的测量【目的与任务】1、继续学会双踪示波器的调试和使用，观察正弦波、三角波、方波和利萨如图形;2、学习用相位比较法测声速:?用波形比较法测声速;?用利萨如图形法测声速;3、用空气中的声速求空气的比热容比γ。
【仪器与设备】双踪示波器，函数信号发生器，声速测量仪。
【原理与方法】1、观察利萨如图形如果在示波器X、Y通道均加上正弦信号见图1，当两个信号相互间的频率成整数倍而相位差不同时，会在示波器荧光屏上显示出一系列不同的利萨如图形，如图2:(1) ; (2) f,fxy;(3)。
若将该图旋转90?，则变为:(1);(2);(3)f,2ff,3ff,ff,2fxyxyyxyx。
f,3fyx图1 图2图2中图形虽各异，但下式总是成立的，nfyx (1) ,fnyx即两个信号的频率(，)之比，等于图形与水平轴、垂直轴的切点数(，)之比。
切点ffnnyyxx1数的读法参阅图3。
由此，若已知其中一个信号的频率，就可推算出另一个信号的频率。
利用利萨如图形测频率时，要尽量使图形稳定。
这是因为两种信号的频率不会非常稳定和严格相等，所以得到的利萨如图形也不很稳定，一般会上下左右来回地地滚动。
而且，图形翻转越快，误差越大。
测量时可按下述方法进行调节:调节频率微调，使图形翻转的速率逐渐变慢，直到翻转的方向刚好改变时，对应的频率就是准确值。
图32、测量两个正弦信号的相位差频率相同的两个正弦信号的固定相位差可用如下两种方法测得。
(1) 双踪示波法。
将两个正弦信号分别输入双踪示波器的、通道，调出如图4所示YYAB的波形，测出相应的T和,T所占的格数，则相位差为,T, (2) ,2,T图4 图5(2) 利萨如图形法。
单双踪示波器都能采用，如图4所示，设(3) y,ysin,t0(4) x,xsin(,t，,)02式中φ为y与x的相位差，对x轴上的点，，则，所以 y,0t,0x,xsin,,A0得A=arcsin (5) ,x03、相位比较法(又称行波法)测声速图6 图7 图四仪器装置如图6所示，取表面为坐标原点，从发出的声波为: SS11x, (6) ,cos(,)Sat1x,式中x为观察点的坐标，其相位比x=0的点落后: ,,,x2x,, (7) ,,,,,由上式可知，沿声波传播方向，每改变，相位变化。
大学物理实验报告声速的测量 (1)
大学物理实验报告声速的测量 (1)
实验目的：
测量声速的值
实验原理：
声速是指声波在介质中传播的速度。
在一定温度下，介质固有性质决
定了声速的大小。
本实验采用了共振法，即利用管内的声波共鸣现象
来测量声速。
实验步骤：
1. 实验装置：
需要的装置包括波形发生器、音叉、水垫管、水桶、尺子、万用表等。
2. 测量流程：
（1）用水桶加水到水垫管内，以保证管内始终保持一定水位高度；（2）在波形发生器上调节频率，将音叉产生的声波频率调节至水垫管
中的空气柱谐振；
（3）记录音叉频率、空气柱长度；
（4）将水桶上升/下降5-10cm，使得空气柱长度改变，重新测量共振
频率和空气柱长度；
（5）重复（4），共测量三组数据；
（6）根据公式计算声速的值。
实验数据处理：
根据实验数据，可采用如下公式计算声速的值：
v=2lf
其中，v为声速，l为空气柱长度，f为共振频率。
最后取三次测量的平均数作为实验结果。
实验注意事项：
1. 调节频率时，注意保持频率稳定不要超出音叉的工作范围；
2. 测量频率时，取多次测量的平均值，减小误差；
3. 水垫管的水位高度需要保持一定的高度，否则会影响声波的传播；
4. 实验结束后及时清理实验装置，尤其是水垫管内的水务必要清理干净。
实验总结：
本实验采用共振法测量声速值，实验数据相对较便捷且精度较高。
在实验中需注意保持实验装置的干净及频率的稳定。
通过实验，不仅加深了对声学知识的理解，更加锻炼了实验操作能力。
大学物理实验报告声速的测量-V1
大学物理实验报告声速的测量-V1测量声速是物理实验中非常基础的实验之一，这篇文章将介绍大学物理实验报告声速的测量。
一、实验目的本实验旨在通过测量声波在不同介质中的传播速度，从而得出声速的实验值，并与理论值进行比较。
同时，通过实验过程，提高学生对声学基础概念的理解。
二、实验原理声波的传播速度与介质性质有关，一般来说，声速在固体中最快，在液体中其次，在气体中最慢。
声速的计算公式为v=s/ t，其中s为声波传播距离，t为声波传播时间。
在实验中，声速可通过测量声波的传播距离和传播时间来计算。
三、实验器材1.反射式测量声速仪器；2.音频发生器；3.示波器；4.计时器；5.水槽。
四、实验步骤1.实验前准备：将反射式测量声速仪器放置在水槽上，调节水深，保证水面与发光口之间的距离为一个波长；2.发生声波：打开音频发生器，发出一定频率的声波，声波经发光口射入水中；3.测量声波传播时间：从示波器上读取声波传播的时间t1；4.调整反射角度：调整反射角度，使声波经声传感器回射回来，并以反射光的方式经过接收光口，再次测量声波传播的时间t2；5.测量声波传播距离：通过反射角度、声波入射口到反射光口的水平距离和测量水深，计算出声波的传播距离s；6.计算声速：利用公式v=s/t计算声速。
五、实验结果及分析1.我们进行了多组实验，测得声速的平均值为340m/s；2.根据理论值，声速在室温下一般为343m/s，通过比较实验值和理论值，可以发现二者很接近，说明实验结果较为准确；3.通过实验，加深了我们对声学基础概念的认识，也提高了我们的实验技能。
六、实验总结通过本实验，我们掌握了测量声速的方法，并通过实验结果与理论值的比较验证了实验的准确性。
同时，着重强调理论与实验相结合的重要性，只有在实验过程中不断加强理论知识的修正与更新，才能在科学理论中不断发现新的实验规律，推动科学技术的进步。
大学物理实验：超声声速测定
超声声速测定声波特性的测量，如频率、波长、声速、声压衰减、相位等，是声波检测技术中的重要内容。
特别是声速的测量，不仅可以了解媒质的特性而且还可以了解媒质的状态变化，在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的实用意义。
例如，声波测井、声波测量气体或液体的浓度和比重、声波测量输油管中不同油品的分界面等等。
“声速的测量”是一个综合性声学实验。
实验中采用压电陶瓷超声换能器通过驻波法（共振干涉法）和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度，这是一个非电量电测方法的应用。
通过这个实验可以重点学习如下内容：（1）实验方法：非电量的电测方法；测量声速的驻波法和相位比较法。
（2）测量方法：利用示波器测量电信号的极大值和观察李萨如图形测量相位差的方法。
（3）数据处理方法：求声波波长的逐差法。
（4）仪器调整使用方法：双踪示波器和函数信号发生器的正确调节和使用方法。
【实验目的】1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。
2.了解压电换能器的功能。
3.学习用逐差法处理数据。
【实验仪器】SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等【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。
根据声波各参量之间的关系可知f ⋅=λυ,其中υ为波速, λ为波长,f 为频率。
图4-5-1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4-5-2 相位比较法测量声速实验装置1.相位比较法实验装置接线如图4-5-2所示，置示波器功能于X －Y 方式。
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。
大学物理实验——声速测量(2013)讲解
四、数据处理
1.逐差法计算波长，得到超声波传播速度。
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
量方法得到的v的相对误差E
v公认 331.45 T / T0
3.计算不确定度
E v测量 v公认 100% v测量
uλ u2A uB2 , uB Δ仪/ 3 0.02mm/ 3, uA Sλ
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
相位延迟量与传播的距离有：
2 L
物理与电子科学学院
如果将发射端和接收端输出的电信号分别分别输入到示波 器，显示出李萨如图形。移动S2的过程中，图形从斜率为正的 直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。相位差相差π，S2移动 的距离为λ/2，由此也可计算出波长。
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信号发生器 驻波法和行波法
物理与电子科学学院
1、共振干涉法——驻波法
驻波：具有相同频率、相同振幅和相同振动方向的两 列波在同一直线上沿相反方向传播时叠加形成的波。 相邻两波节或两波腹间的距离就是半个波长。
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超声发生器S1发出的声波，经空气传播到接收器S2，S2在接 收声波信号的同时反射部分声波信号。如果S2与S1严格平行，
３.相位比较法测声速(介质为空气):示波器置于观察李萨如图 形状态, 将S2由近(靠近S1)及远,逐次记下荧光屏上斜率正 负变化的直出现时S2的位置读数:x0,x1,x2,…x9。
４.时差法测声速（固体介质） 选取三种长度的铜棒或有机玻璃棒。（扩展内容，选做）
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注意事项 1.共振干涉法测量声速时，应尽量在最大 值位置处测量； 2.注意避免声速测定仪的回程差。
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.
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声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射
声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量。
在空气中，一些波动现象，不仅可以用可见光与微波演示，也可以用声波演示。
在气体中，声波是纵波而不是横波，因而不出现偏振现象，这是与电磁波现象的一个重大区别，但声音所产生的几种干涉和衍射效应与电磁波干涉和衍射效应完全相似。
由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。
本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速；并研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。
【实验原理】 1．共振干涉法
设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器，如果接收面与发射面严格平行，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，反射面处为位移的波节。
改变接收器与发射源之间的距离l ，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳定的驻波共振现象。
此时，l 等于半波长的整数倍，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。
不难看出，在移动接收器的过程中，相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。
因此，若保持频率 v 不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离(2/λ)，就可以用λv =V 计算声速。
2．相位比较法
发射波通过传声媒质到达接收器，所以在同一时刻，发射处的波与接收处的波的相位不同，其相位差 ϕ可利用示波器的李萨如图形来观察。
ϕ 和角频率 ω、传播时间 t 之间有如下关系：
t ωϕ=
同时有，T /2πω=,V )T (V ,V
，代入上式得为周期式中T l
t ==
λ λπϕ/2l =
当,...)3,2,1(2/==n n l λ时，得πϕn =。
实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，可观察到相位的变化。
而当相位差改变 π时，相应的距离l 的改变量即为半个波长。
由波长和频率值可求出声速。
3．理想气体中的声速值
声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为
μ
Θ
=
rR V (1)
式中R 为气体普适常量(R=8.314J/(mol.k))，γ是气体的绝热指数(气体比定压热容与比定容热容之比)，
μ为分子量，Θ 为气体的热力学温度，若以摄氏温度 θ计算，则：
K 15.273,00=Θ+Θ=Θθ代入式(1)得，
00
001V 1)(V Θ+
Θ+
⋅Θ+Θ=
θθ
μ
θμ
＝＝
rR
rR
(2)
对于空气介质，0℃时的声速0V =331.45m /s 。
【仪器装置】
仪器主要由三部分组成：声速测定装置、正弦信号发生器和示波器。
1）声速测定装置如图4所示
图4 数显声速测量装置结构图
1-电源开关;2－位移显示;3－位移显示置零;4－位移调节;
5－信号输入;6－超声发射器;7－超声接收器;8－接收信号输出;9-转动导轨图4中，6和7分别为超声发射器和超声接收器；5和8分别为发射器信号输入和接收器信号输出；1为数显游标卡尺电源开关；2为位移显示；3为位移显示置零；4为位移调节。
2）声速测定装置分三部分：
A．超声波发射器和超声波接收器。
超声波传感器结构如图5所示。
图5 超声波传感器
(a)外形图; (b)电路符号; (c)内部结构
超声波传感器的工作频率约为40KHz，其中超声波接收器与超声波发射器结构相似，只是两种压电晶片的性能有所差别。
接收型压电晶片的机械能转变为电能的效率高；而发射型相反，电能转变机械能效率高。
B．数显游标卡尺。
它有一个位移传感器及液晶显示器。
游标移动时，能直接显示其移动距离，液晶显示器上有一个电源开关（图4中1），使用时打开，使用完毕即关断。
还有一置零开关（图4中3），正式测量前先将数字置零。
C．正弦波发生器。
其输出正弦波信号，频率连续可调。
【实验内容】
(一)声音在空气中传播速度测量
1．调整测试系统的谐振频率
按图4将实验装置接好。
正弦波的频率取40KHz，调节接收换能器尽可能近距离，且使示波器上的电源信号为最大。
然后，将两个换能器分开稍大些距离（约6-7cm），使接收换能器输入示波器上的电压信号为最大（近似波节位置）。
再调节频率，使该信号确实为该位置极大值。
2．在谐振频率处用共振法和相位法测声速。
当测得一声速极大值后，连续地移动接收端的位置，测量相继出现20个极大值所相应的各接L，再用逐差法求波长值。
收面位置
i
在用相位比较法时，将接收器与示波器的Y轴相连，发射器与示波器X轴相连，即可利用李萨
如图形来观察发射波与接收波的相位差，适当调节Y轴和X轴灵敏度，就能获得比较满意的李萨如图形。
对于两个同频率互相垂直的简谐振动的合成，随着两者之间相位差从0--π变化，其李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆，再由椭圆变到斜率为负的直线。
记录游标卡尺上读数时，应选择李萨如图形为直线时所对应的位置。
每移动半个波长，就会重复出现斜率正负交替的直线图形。
3．测量实验温度，由式（2）求出声速值。
4．将上述两种方法的测量结果和理论计算值比较，并计算相对偏差。
【实验数据】
1．相位法测声速
表1 相位法测量结果
2．共振干涉法测声速
表2 共振干涉测量结果。