用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度

用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度【目的要求】

1. 进一步熟悉信号发生器和示波器的使用；

2. 了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解；

3. 用相位法和共振法测定超声波在空气中的传播速度。。

【引言】

声音是由于声源的振动而产生的，它通过周围弹性媒质的振动向外传播而形成声波(纵波)。声波的波长、强度、传播速度等是声波的重要性质，其中声速的测量在实际应用中有着十分重要的意义。

声速可以利用它与频率和波长之间的关系( )来测量，其中波长的测量是解决问题的关键。既然声音是以波的形式传播，就有可能利用驻波法测定其波长，进而确定其波速。其中共鸣管就是测定声音在空气中传播速度的一种装置。

频率在之间的声波称为超声波，它具有波长短、能定向传播等优点。超声波在测距、定位、测液体流速、测材料弹性模量以及测量气体温度瞬间变化等方面有着广泛的应用。本实验还将利用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度，通过本实验可以进一步了解声波在空气中传播速度与气体状态参量的关系以及超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解等。

【实验原理】

声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为： (11.1)

可见，只要测出声波的频率和波长，即可求出声速。f可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。

根据超声波的特点，实验中可以采用几种不同的方法测出超声波的波长：

１．相位法：

波是振动状态的传播，也可以说相位的传播。

沿传播方向上的任何两点，如果其振动状态相同

(同相)或者说其相位差为的整数倍，这时两点间的距离应等于波长的整数倍，即：

(11.2)

利用式 (11.2) 可精确地测量波长。

由于发射器发出的是近似于平面波的声波(图

11-5),当接收器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动

接收器时，总可以找到一个位置使得接收到的信

号与发射器激励信号同相。继续移动接收器，直

到接收的信号再一次和发射器的激励电信号同相

时，移过的距离必然等于声波的波长（注意：由

于示波器、换能器等产生的相移，实际上并不一

定和声源同相，总是有一定的相位差，但这对于

实验中波长的测量并无影响）。

①用双线示波器直接进行相位比较：

为了判断相位以测定波长，可以利用双线示波器直接比较发射器信号和接收器信号。沿传播

方向移动接收器寻找同相点即可实现。如图11-2 所示。

②李萨如图形法：

如图11-3所示，利用图形寻找同相或反相时椭圆退化为右或左钭直线的点，其优点是直钭

线情况判断相位差最为敏锐。

２．共振法：

如前所述，由发射器发出的声波近似于平面波。

经接收器反射后，波将在两端面间来回反射并且叠加。叠加的波可近似地看作具有驻波加行波的特征。

由纵波的性质可以证明，当接受器端面按振动位移来说处于波节时，则按声压来说是处于波腹。当发生共振时，接收器端面近似为波节，接收到的声压最大，经接收器转换成的电信号也最强，声压变化和接收器位置的关系可从实验中测出(图11-4)。当接收器端面移动到某个共振位置时，如果示波器上出现了最强的电信号，继续移动接收器，将再次出现最强的电信号，则两次共振位置之间的距离即为

。

【仪器用具】

仪器设备包括 SW-1型声速测量仪，CA8020A 型双踪四线示波器，EE164型函数信号发生器/计数器， 干湿差湿度计等。

SW-1型声速测量仪结构如图11-5所示。

它实际上是超声波发生器（发射器）和接收

器的有机组合。超声波发生器利用压电体的

逆压电效应，在信号发生器产生的交变电压

下，使压电体产生机械振动，而在空气中激

发出超声波。本仪器把锆钛酸铅制成的压电

陶瓷管(又称压电换能器)粘接在合金铝制成

的阶梯形变幅杆上，将它们与信号发生器连

接即可组成超声波发生器。当压电陶瓷处于

一交变电场时,会发生周期性的伸缩,交变电

场频率与压电陶瓷管的固有频率( )相同时振幅达最大值，该振动传递给变幅杆，

使其产生沿轴向的振动，并通过增强片的端

面在空气中激发出超声波。超声波波长很短

(仅约数毫米)，定向发射性能好，又由于增

强片的直径比波长大得多，故可近似认为该

发射器发出的超声波是平面波。超声波的接

收器则是利用压电体的正压电效应，将接收

到的超声振动转化为电信号。为使此电信号增强，经选频放大器放大后，再经屏蔽线传输给示波器观 测。接收器被安装在可移动的机构上，这个机构包括可移动支架（其上装有指针，并通过定位螺母套 在丝杆上，由丝扦带动作平移）、螺杆及带刻度的手轮等。接收器的位置可由标尺与读数鼓轮的联合 读数确定。

关于示波器及信号发生器的使用请参考仪器使用说明书。图 11-7 为声速测量装置实物图。

【实验内容】

1. 用相位比较法测定超声波的波长以求声速：

按图11-7连接仪器装置，参照说明书正确使用示波器及信号发生器。将信号源调至压电陶瓷换能 器的固有频率，示波器叠加方式用“交替”或“断续”，内触发电源选“Y2”，然后沿超声波传播方 向移动接收器、寻找同相点，即可测出波长。

2．用李萨如图形法测声速：

按下示波器的“X-Y ”键，改变接收器位置，通过李萨如图形测定超声波波长。

3. 用共振法测声速：

按图11-4连接装置，示波器叠加方式用“Y2”，内触发电源亦选“Y2”或“Y1/Y2”，连续改变接 收器位置，观察声压变化与接收器位置的关系，由此测定超声波波长。

【注意事项】