声速测量2015

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超声驻波像测定声速及数据处理研究

超声驻波像测定声速及数据处理研究作者：佟永丽来源：《中国高新技术企业》2015年第19期摘要：文章通过超声驻波像测定声速实验数据，分别根据逐差法和最小二乘法进行数据处理，比较了二者优劣，然后具体分析了产生不确定度的几点原因。

关键词：超声波；驻波；声速；不确定度；数据处理文献标识码：A中图分类号：O422 文章编号：1009-2374（2015）19-0026-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.19.012精确测量液体中的声速对研究液体的物理和化学性质可提供重要的依据。

本实验通过超声驻波像来测定声速。

1 实验原理与仪器光波在液体介质中传播时被超声衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应），这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。

超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。

此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用类似于光栅，所以叫超声光栅。

超声波传播时，如入射波被一个平面反射，会反向传播。

当满足干涉条件，入射波与反射波形成驻波。

由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间的疏密程度，其中振幅最大的位置称为驻波的波腹，振幅为零的位置称为驻波的波节。

某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处，半个周期后，相反。

在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长λ的两点，液体的密度相同，折射率也相等。

超声光栅与一维光栅有相似的作用，其光栅常数越小（超声波频率很高）其衍射作用就越明显。

当超声波频率比较低（如2兆赫左右，其光栅常数约1条线/mm）时，光的衍射效果可以忽略，直线传播的性质明显，只能显示超声光栅的自身影像，即超声驻波像。

空气中的声速测量

圆数据处理
圆援员声波频率的测定任何相邻的振幅最大值的位置之间波动过程中波速尧波长和频率
之间存在着下列关系院v=姿f袁观察接收波的电压幅度变化袁在某一频率点处电压幅度最大袁此频率即是 f遥改变 S2 的位置渊即改变 S1尧S2 之间的距离冤直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值袁再次记下此时频
揖关键词铱声速曰空气曰共振干涉法曰相位比较法
0 引言
近几年来随着声学的发展袁检测声学在现实生活中得到了越来越广泛的应用遥比如院无损检测尧流体测速尧探伤尧定位尧测距等[1]遥声速的测量在声学检测领域占有非常重要的地位遥空气中的声速测量实验因其应用性强尧便于操作尧易于实现等优点被很多高校选作基础物理实验遥媒质的特性及状态等因素决定了声波在其中传播的速度袁通过媒质中声速的测定袁如院测量氯丁橡胶乳液的比重尧氯气尧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袁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]遥在教学中一般采用以下两种理论方法来测量声速院第一种是测量声波传播的距离 s 和时间 t袁然后根据公式 v=s 辕 t 计算出声速遥这种方法中学采用的比较多遥另一种是测量声波的频率 f 和波长姿遥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尧波长姿和频率 f 之间存在着下列关系院v=姿f袁计算出声速[3]遥目前高校中普遍采用的是这套理论遥而在实际操作中袁也有很多不同的方法来实现遥例如双踪示波法[4]袁声音共鸣法[5]袁驻波法[6]等遥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袁并与理论值进行比较袁然后进行误差分析袁以便检测测量方法的实用性遥
揖参考文献铱咱员暂李夏云,陈传淼援用龙格要库塔法求解非线性方程组[J].数学理论与应,2008,28

高中物理实验测量音速

高中物理实验测量音速音速是声波在介质中传播的速度，它在物理学领域具有重要的意义。

本文将介绍一种高中物理实验，用于测量音速的方法和过程。

实验目的：测量空气中声波的传播速度，即音速。

实验器材：1. 声音发生器2. 电磁振子3. 可调音叉4. 毫米尺5. 计时器实验步骤：1. 将声音发生器和电磁振子连接起来，使声音发生器产生稳定的声波。

2. 将可调音叉固定在架子上，使其可以振动。

3. 将声音发生器的喇叭对准可调音叉，调整声音发生器的频率，使得可调音叉开始共振。

4. 开始实验时，将声音发生器和计时器同时启动。

5. 当听到共振声音后，立即停止计时器。

6. 通过测量振子长度的变化，可以计算出振动周期。

数据处理：1. 根据实验数据，可计算出电磁振子的振动周期。

2. 利用振动周期和毫米尺测量的振动长度，可以计算出声波在空气中的传播速度。

实验注意事项：1. 实验过程中需要注意操作规范，避免人为误差对实验结果的影响。

2. 在进行实验时，保持实验环境的安静，避免外界干扰。

3. 实验数据的测量要准确，可多次重复实验来提高数据可靠性。

实验结果分析：通过实验测得的音速结果与理论值相比较，可以评估实验的准确性和可靠性。

实验扩展：本实验只是介绍了一种测量音速的方法，实际上还有其他方法可以进行测量。

例如利用双麦克风和计算机进行分析，通过声音的传播时间差来计算音速。

结论：通过本实验，我们成功地测量了空气中的音速，并得出了相应的实验结果。

实验结果准确与否取决于实验操作的规范性和测量数据的可靠性。

总结：高中物理实验中测量音速的实验方法可以帮助学生更好地理解声波的传播规律。

实验过程中需要严格按照操作规范进行，实验结果对于理解音速的概念和物理原理非常重要。

同时，学生可以通过实验结果的分析和对比来提高实验的准确性。

通过这样的实验训练，学生可以培养实验操作技能和数据处理能力，提高科学实验能力。

国际专利分类表(2015版)G——物理

G部——物理本部目录（参见及附注省略）分部：仪器 (7)G01测量；测试 (7)G01B长度、厚度或类似线性尺寸的计量；角度的计量；面积的计量；不规则的表面或轮廓的计量 (8)G01C 测量距离、水准或者方位；勘测；导航；陀螺仪；摄影测量学或视频测量学（液体水平面的测量入G01F；无线电导航，通过利用无线电波的传播效应，例如多普勒效应，传播时间来测定距离或速度，利用其他波的类似装置入G01S） (13)G01D非专用于特定变量的测量；不包含在其他单独小类中的测量两个或多个变量的装置；计费设备；非专用于特定变量的传输或转换装置；未列入其他类目的测量或测试19 G01F容积、流量、质量流量或液位的测量；按容积进行测量〔2，5〕 (24)G01G称量 (29)G01H机械振动或超声波、声波或次声波的测量〔4〕 (34)G01J红外光、可见光、紫外光的强度、速度、光谱成分，偏振、相位或脉冲特性的测量；比色法；辐射高温测定法〔2〕 (36)G01K温度测量；热量测量；未列入其他类目的热敏元件（辐射高温测定法入G01J 5/00） (39)G01L测量力、应力、转矩、功、机械功率、机械效率或流体压力（称量入G01G）〔4〕 (43)G01M机器或结构部件的静或动平衡的测试；其他类目中不包括的结构部件或设备的测试 (48)G01N借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料（除免疫测定法以外包括酶或微生物的测量或试验入C12M，C12Q） (51)G01P线速度或角速度、加速度、减速度或冲击的测量；运动的存在或不存在的指示；运动的方向的指示（利用陀螺效应测量角速率入G01C 19/00；用于测量两个或多个运动变量的组合测量设备入G01C 23/00；声速测量入G01H 5/00；光速测量入G01J 7/00；通过无线电波或其他波的反射或再辐射，且基于传播效应（例如多普勒效应）、传播时间或传播方向来测量固体物体的方向或速度入G01S；核辐射速度的测量入G01T） (66)G01Q扫描探针技术或设备；扫描探针技术的应用，例如，扫描探针显微术[SPM]〔2010.01〕 (70)G01R测量电变量；测量磁变量（指示谐振电路的正确调谐入H03J 3/12） (73)G01S无线电定向；无线电导航；采用无线电波测距或测速；采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测；采用其他波的类似装置 (84)G01T核辐射或X射线辐射的测量（材料的辐射分析，质谱测定法入G01N 23/00用以测定辐射或粒子的存在、强度、密度或能量的管入H01J 47/00） (96)G01V地球物理；重力测量；物质或物体的探测；示踪物（用于指示因事故被掩埋的人的位置，例如，被雪掩埋的人的位置的装置入A63B 29/02）〔4，6〕 (98)G01W气象学（为气象用途所设计的雷达、声纳、激光雷达或类似系统入G01S 13/95，G01S 15/88，G01S 17/95） (102)1G02光学 (103)G02B光学元件、系统或仪器（G02F优先；专用于照明装置或系统的光学元件入F21V 1/00至F21V 13/00；测量仪器见G01类的有关小类，例如，光学测距仪入G01C；光学元件、系统或仪器的测试入G01M 11/00；眼镜入G02C；摄影、放映或观看用的装置或设备入G03B；声透镜入G10K 11/30；电子和离子“光学”入H01J；X射线“光学”入H01J，H05G 1/00；结构上与放电管相组合的光学元件入H01J 5/16，H01J 29/89，H01J 37/22；微波“光学”入H01Q；光学元件与电视接收机的组合装置入H04N 5/72；彩色电视系统中的光学系统或装置入H04N 9/00；专门适用于透明或反射区的加热装置入H05B 3/84）〔1，7〕 (103)G02C眼镜；太阳镜或与眼镜有同样特性的防护镜；隐形眼镜 (113)G02F用于控制光的强度、颜色、相位、偏振或方向的器件或装置，例如转换、选通、调制或解调，上述器件或装置的光学操作是通过改变器件或装置的介质的光学性质来修改的；用于上述操作的技术或工艺；变频；非线性光学；光学逻辑元件；光学模拟/数字转换器〔2，4〕 (115)G03摄影术；电影术；利用了光波以外其他波的类似技术；电记录术；全息摄影术〔4〕 (118)G03B摄影、放映或观看用的装置或设备；利用了光波以外其他波的类似技术的装置或设备；以及有关的附件（这些装置的光学部分入G02B；照相用的感光材料或加工方法入G03C；加工曝光后的照相材料的设备入G03D）〔4〕 (118)G03C照相用的感光材料；照相过程，例如，电影、X射线、彩色或者立体照相过程；照相的辅助过程（以本身可分类在G03B的设备的使用或操作为特征的照相过程参见G03B） (128)G03D加工曝光后的照相材料的设备；其附件 (134)G03F图纹面的照相制版工艺，例如，印刷工艺、半导体器件的加工工艺；其所用材料；其所用原版；其所用专用设备（照相排版装置入B41B；为摄影用的感光材料或处理入G03C；电记录、感光层或处理入G03G） (136)G03G电记录术；电照相；磁记录（依靠记录载体与传感器之间的相对运动存储信息入G11B；具有写入或读出信息装置的静态存储入G11C；电视信号的记录入H04N 5/76） (140)G03H全息摄影的工艺过程或设备（全息图，例如，用作普通的光学元件的点全息图入G02B 5/32；借助光学元件执行数学运算的模拟计算机入G06E 3/00；全息存储入G11B 7/0065、G11C 13/04）〔2〕 (145)G04测时学 (146)G04B机械驱动的钟或表；一般钟或表的机械零部件；应用太阳、月亮或星辰位置计时的计时器（一般弹簧或重锤驱动的机构入F03G；电动机械钟或表入G04C；带有或装在预选时间或预定时间间隔之后操作任一器件的装置的电动机械钟入G04C 23/00；有停止装置的钟或表入G04F 7/08；结构细节或特别适于无传动零件的电子计时的入G04G17/00） (146)G04C电动机械钟或表（一般钟表的机械零部件入G04B；无传动零件的电子计时器，产生定时脉冲的电子电路系统入G04G） (152)G04D为制造或维修钟表所专门设计的装置或工具 (156)G04F时间间隔的测量（测量脉冲特性入G01R，例如，G01R 29/02；雷达或类似系统中的入G01S；微波激射器入H01S 1/00；振荡的产生入H03B；脉冲的产生或计数，分频入H03K；一般模/数转换入H03M 1/00）〔2〕 (157)2G04G电子计时器〔3〕 (159)G04R无线电控制的计时器[2013.01] (161)G05控制；调节 (162)G05B一般的控制或调节系统；这种系统的功能单元；用于这种系统或单元的监视或测试装置（应用流体作用的一般流体压力执行器或系统入F15B；阀门本身入F16K；仅按机械特征区分的入G05G；传感元件见相应小类，例如G12B，G01、H01的小类；校正单元见相应的小类，例如H02K） (162)G05D非电变量的控制或调节系统（金属的连续铸造入B22D 11/16；阀门本身入F16K；非电变量的检测见G01各有关小类；电或磁变量的调节入G05F） (171)G05F调节电变量或磁变量的系统（调节雷达或无线电导航系统中脉冲计时或脉冲重复频率的入G01S；专用于电子计时器中电流或电压的调节入G04G 19/02；用电装置调节非电变量的闭环系统入G05D；数字计算机的调节电源入G06F 1/26；用于得到有衔铁时的所需电磁铁工作特性入H01F 7/18；调节电功率的配电网络入H02J；调节电池充电的入H02J 7/00；静态变换器输出的调节，例如开关式调节器入H02M；电发生器输出的调节入H02N，H02P 9/00；变压器、电抗器、或扼流圈的控制入H02P 13/00；调节放大器的频率响应、增益、最大输出、振幅或带宽的入H03G；调节谐振电路调谐的入H03J；控制电子振荡器或脉冲发生器的入H03L；调节传输线路特性的入H04B；控制电光源的入H05B 37/02，H05B 39/04，H05B 41/36；X射线设备的电气控制入H05G 1/30）〔4，5〕 (180)G05G只按机械特征区分的控制装置或系统（“Bowden”或类似的机构入F16C 1/10；不专用于本类的传动装置或机构入F16H；传送旋转运动的齿轮装置的变速或反向机构入F16H 59/00至F16H 63/00） (183)G06计算；推算；计数 (188)G06C一切计算均用机械方式实现的数字计算机 (188)G06D数字流体压力计算设备 (192)G06E光学计算设备使用光学元件的数字存储器入G11C 13/04）〔5〕 (193)G06F电数字数据处理（部分计算是用液压或气动完成的计算机入G06D，光学完成的入G06E；基于特定计算模型的计算机系统入G06N） (194)G06G模拟计算机（模拟光学计算设备入G06E 3/00；基于特定计算模型的计算机系统入G06N） (205)G06J混合计算装置（光学混合计算设备入G06E 3/00；基于特定计算模型的计算机系统入G06N；用于图像数据处理的系统网络入G06T；模拟/数字转换，一般入H03M 1/00） (208)G06K数据识别；数据表示；记录载体；记录载体的处理（印刷本身入B41J） (209)G06M计数机构；其对象未列入其他类目内的计数（用来测量被清点物品的体积或重量的计数入G01F、G01G；适用于电力装置中测量电力或电流的时间积分的电表的计数器的改进入G01R 11/16；计算机入G06C至G06J；电脉冲的计数入H03K；用于传送数字信息在开关网络中的字符、字或信息的计数入H04L 12/08；电话系统的计数装置入H04M 15/00） (214)G06N基于特定计算模型的计算机系统〔7〕 (216)G06Q专门适用于行政、商业、金融、管理、监督或预测目的的数据处理系统或方法；其他类目不包含的专门适用于行政、商业、金融、管理、监督或预测目的的处理系统或方法〔8〕 (217)G06T一般的图像数据处理或产生（特别适用于特定应用，见相关的小类，如G01C，G06K，3G09G，H04N）〔6，8〕 (220)G07核算装置 (223)G07B售票设备；车费计；用于在一个或多个管理点收车费、通行费或入场费的装置或设备；签发设备 (223)G07C时间登记器或出勤登记器；登记或指示机器的运行；产生随机数；投票或彩票设备；未列入其他类目的核算装置、系统或设备（人身鉴别，例如手纹印制、脚纹印制入A61B 5/117；一般计量的指示或记录装置，其中输入不是要测量的变量的类似装置（例如手操作），入G01D；时钟、时钟机构入G04B，G04C；时间间隔计量入G04F；计数机构本身入G06M） (225)G07D处理硬币、纸币或类似的有价纸币，例如按其面额检验、兑换，计数，分发，交付或存款〔2〕 (227)G07F投币式设备或类似设备（硬币分类入G07D 3/00；硬币检验入G07D 5/00）〔1，7〕 (229)G07G登记收到的现金、贵重物或辅币（一般数字计算入G06C、G06F）〔4〕 (233)G08信号装置 (234)G08B信号装置或呼叫装置；指令发信装置；报警装置 (234)G08C测量值、控制信号或类似信号的传输系统（流体压力传输系统入F15B；将传感件的输出信号转换成不同变量的机械装置入G01D 5/00；机械控制系统入G05G）〔4〕239 G08G交通控制系统（指导铁路交通，保证铁路交通安全的入B61L；专用于交通控制的雷达或类似系统、声纳系统或激光雷达系统入G01S 13/91、G01S 15/88、G01S 17/88；专用于防碰撞目的的雷达或类似系统、声纳系统或激光雷达系统入G01S 13/93、G01S 15/93、G01S 17/93；陆地、水上、空中或太空中的运载工具的位置、航道、高度或姿态的控制，不限于交通环境入G05D 1/00）〔2〕 (241)G09教育；密码术；显示；广告；印鉴 (243)G09B教育或演示用具；用于教学或与盲人、聋人或哑人通信的用具；模型；天象仪；地球仪；地图；图表 (243)G09C用于密码或涉及保密需要的其他用途的编码或译码装置 (248)G09D铁路用或类似用途的时间表或计费表；长期使用的日历 (249)G09F显示；广告；标记；标签或铭牌；印鉴 (250)G09G对用静态方法显示可变信息的指示装置进行控制的装置或电路（在数字计算机与显示器之间传输数据的装置入G06F 3/14；由若干分离源或光控的光电池结合而成的静态指示装置入G09F 9/00；由若干光源的组合而构成的静态的指示装置入H01J，H01K，H01L，H05B 33/12；文件或者类似物的扫描、传输或者重现，如传真传输，其零部件入H04N 1/00）〔3，4，5〕 (255)G10乐器；声学 (258)G10B管风琴，簧风琴或类似具有相关吹气装置的乐器（音乐玩具乐器的非音乐特征入A63H 5/00；口琴入G10D7/12；手风琴，六角手风琴或类似乐器或其键盘入G10D11/00；自动管乐器入G10F1/12） (259)G10C钢琴、大键琴、立式钢琴或类似的带有一个或更多键盘的弦乐器（玩具钢琴的非音乐特征入A63H 5/00；带有或没有键盘的自动钢琴入G10F 1/02，G10F 1/04；组合乐器组成一架自动钢琴入G10F 1/22；自动钢琴的零件或附件入G10F 5/00） (260)G10D弦乐器；管乐器；手风琴或六角手风琴；打击乐器；其他类目中不包括的乐器（音乐玩具乐器的非音乐特征入A63H 5/00；管风琴，簧风琴或类似具有相关吹气装置的乐4器入G10B；钢琴、大键琴、立式钢琴或类似的带有一个或更多键盘的弦乐器入G10C；自动演奏乐器入G10F；电声乐器入G10H；由机电装置或电子发生器产生音调的乐器，或从数据存储器合成音调的乐器入G10H） (261)G10F自动乐器（音乐玩具乐器的非音乐特征入A63H 5/00；自动乐器和录音或放音装置联合工作的装置入G11B 31/02） (263)G10G音乐的辅助设备；乐器的支撑；音乐或乐器的其他辅助装置或附件（音乐架入A47B；音乐玩具乐器的非音乐特征入A63H 5/00；节拍器入G04F 5/02；音乐教具入G09B 15/00） (264)G10H电声乐器；由机电装置或电子发生器产生音调的乐器，或从数据存储器合成音调的乐器 (265)G10K发声器械（发声玩具入A63H 5/00）；用于防止或减小噪声或其他声波的一般方法或装置；其他类目中不包括的声学器械〔6〕 (267)G10L语音分析或合成；语音识别；语音或声音处理；语音或音频编码或解码〔4〕·270G11 信息存储 (275)G11B基于记录载体和换能器之间的相对运动而实现的信息存储（以不需要通过换能器重现记录值的方式记录测量值的入G01D 9/00；利用有机械标记的带子，例如，穿孔纸带或利用单元记录卡，如穿孔卡片或具有磁性标记的卡片的记录或重现设备入G06K；将数据从记录载体的一种类型转移到另一种类型上的入G06K 1/18；将重放装置的输出耦合到无线电接收机上去的电路入H04B 1/20；唱机拾音器之类的声音机电传感器或为此所用的电路入H04R） (275)G11C静态存储器（基于记录载体和换能器之间的相对运动而实现的信息存储入G11B；半导体存储器件入H01L，例如H01L 27/108至H01L 27/115；一般脉冲技术入H03K，例如，电子开关入H03K 17/00） (291)G12仪器的零部件 (298)G12B仪器的结构零部件，或未列入其他类目的其他设备的类似零部件 (298)分部：核子学 (300)G21核物理；核工程 (300)G21B聚变反应堆（不可控聚变，其应用入G21J） (300)G21C核反应堆（聚变反应堆、混合裂变—聚变反应堆入G21B；核爆炸入G21J） (301)G21D核发电厂 (308)G21F X射线，γ射线、微粒射线或粒子轰击的防护；处理放射性污染材料；及其去污染装置（用药物方法进行的辐射防护入A61K 8/00，A61Q 17/04；在航天器中的入B64G 1/54；与反应堆结合的入G21C 11/00；与X射线管结合的入H01J 35/16；与X射线仪器结合的入H05G 1/02） (309)G21G化学元素的转变；放射源〔2〕 (311)G21H从放射源取得能量；其他类目不包括的放射源辐射的应用；宇宙射线的利用（核辐射或X射线辐射的测量入G01T；聚变反应堆入G21B；核反应堆入G21C；由在结构上与灯相关联的外部微粒子辐射或放射性材料激励填充气体发光的灯入H01J65/04，H01J65/06） (312)G21J核爆炸；其应用 (313)G21K未列入其他类目的粒子或电离辐射的处理技术；照射装置；γ射线或X射线显微镜〔2〕 (314)5G99不包含在本部其他类目中的技术主题〔8〕 (315)G99Z本部其他类目不包括的技术主题〔8〕 (315)6分部：仪器G01测量；测试附注1．本大类包括除“真正的”测量仪器之外，还包括类似结构的其他指示或记录装置，以及就涉及测量（如下文附注2中定义的）而言的，但不专门适用于发送信号或控制的特定用途的发送信号装置或控制装置。

2声现象阶梯训练(声现象)

《声现象》阶梯训练声音的产生与传播1．（2016?随州）如图所示，在探究“声音是由物体振动产生的”实验中，将正在发声的音叉紧靠悬线下的轻质小球，发现小球被多次弹开．这样做是为了（）A．使音叉的振动尽快停下来B．把声音的振动时间延迟D．使声波被多次反射形成回声2．（2015秋?北京校级期中）如图所示，把正在响铃的闹钟放在玻璃罩内，闹钟和罩的底座之间垫上柔软的泡沫塑料，逐渐抽出罩内的空气，闹钟的声音会逐渐变小，直至听不到声音；再让空气逐渐进入玻璃罩，闹钟的声音会逐渐变大．这个实验表明了（）A．声音是由物体振动产生的B．声音再玻璃罩中发生反射C．声音必须通过介质才能传播D．声波在传播过程中能量逐渐减少声音的特性3.(2015·济南)小夏在研究口琴的发声原理时，拆掉了口琴外壳，发现在气孔边分布着长短、厚薄都不同的一排铜片(如图所示).吹口琴时，在气流的冲击下，铜片振动，发出声音.对不同气孔吹气，改变了声音的；在同一气孔处用不同的力度吹气，改变了声音的 .4．如图是“探究影响音调高低因素”的实验装置.下列说法不正确．．．的是( ) A．通过改变钢尺伸出桌面的长度来改变钢尺振动的频率B．多次实验中，保持钢尺振动的振幅相同，运用了控制变量法C．钢尺伸出桌面越长，振动越快D．物体振动快、频率高，发出的声音音调高声的利用①声音能传递信息5.下列不是．．利用回声定位原理的事例是：（）A．利用雷达探测空中飞行物B．蝙蝠在夜间飞行时也不会撞到墙壁、树枝C．利用超声波清洗精密机械D．利用声纳测量海底深度6.某人在离墙136m处喊了一声，0.8s后他听到回声，求声音在空气中传播的速度？②声音能传递能量7.（1）人们挑选瓷器时，总要敲击几下，以判断瓷器是否有裂纹；（2）医生用B超获取病人体内器官的情况；（3）工厂里利用超声波清洗精密机械的微小零件；（4）中医通过“闻”来诊病；（5）外科医生用超声波除去人体内的结石。

超声波声速测量实验的拓展

Vol.34 No.2Apr.2021第34卷第2期2021年4月大学物理实验PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE文章编号：1007-2934(2021 )02-0030-03超声波声速测量实验的拓展薛啸天，宋文韬，崔淦维,姚慧敏，朱云霞，高建平，罗锻斌*收稿日期：2021-01-11基金项目：华东理工大学2019年本科教育教学方法改革研究项目;2019年度上海市重点课程课程建设项目(YK0126154)*通讯联系人(华东理工大学物理系，上海200237)摘要：对传统的声速测量实验内容进行了拓展，利用发射换能器和接收换能器构成的超声谐振腔形成的稳定驻波,演示了声辐射力与物体自身重力平衡时的声悬浮现象;在此基础上,利用泡沫小球的动态声悬浮过程对超声驻波的波长进行了测量，计算得到的声速结果与参考值的百分误差为2.1%o上述实验内容的拓展，让学生对超声波驻波场的产生、分布、力学效应有了更直观的认识和理解,也让学生在传统实验的基础上了解了声悬浮这一技术,不仅增加了学生的实验兴趣，而且扩大了学生的知识面与实验技能。

关键词：超声波;声速;驻波;声悬浮中图分类号：O 433.1 文献标志码：A D0l ：10.14139/22-1228.2021.02.008声波是在弹性介质中传播的一种机械波。

对于声波在弹性介质中传播时的声速、声压和声阻抗等物理量的测量是声学应用技术的重要内容, 通过对这些声学量的测量可以获得与传播介质特性和状态有关的信息。

其中对于声波波速(即声速)测定的应用尤为广泛，它涉及物理、化学、工程技术、医学等领域［1-5］o 通过声速的测量可以研究固体介质的弹性模量，流体的密度⑸、成分, 可以测量介质的温度［4］、压强、流速、比热容［2］,可以研究介质中能量的吸收和转移过程,可以进行声波定位、探伤［1］、显示、测距等。

这些应用的关键都在于如何精确地测量声速。

示波器的调整和使用(测声速)综述

控制措施
为减少误差，可以采取一系列措施，如使用高精度测量设备、在稳定的实验环境下进行实验、严格遵守实验操作规程等。
误差来源分析与控制措施
采用专业的数据处理软件或程序，对实验数据进行处理和分析，包括数据清洗、数据转换和数据可视化等步骤。
数据处理方法
将处理后的数据以图表、图像等形式进行展示，以便更直观地观察和分析声速与频率之间的关系。同时，还可以将误差值与实验结果进行对比和分析，以便评估实验的准确性和可靠性。
研究方法与论文结构
02
示波器概述
示波器定义
示波器是一种用于观察、分析和测量电压或电流波形的电子仪器。
工作原理
示波器利用电子枪发射电子束，经过聚焦后打到涂有荧光粉的屏幕上，产生亮点或波纹，从而显示电压或电流的变化。
示波器定义与工作原理
模拟示波器
模拟示波器采用模拟电路技术，具有实时显示、高精度测量、低噪声等优点，但受限于带宽和稳定性。
参考文献2
陈伟，王五，李晓. 示波器在声速测量中的应用[J]. 实验技术与仪器，2015，31(2)：33-37.
参考文献3
THANK YOU.
谢谢您的观看
数字示波器
数字示波器采用数字信号处理技术，具有高精度、高分辨率、低噪声、高稳定性等优点，但需要一定的时间来处理数据。
示波器的种类与特点
1
示波器在科学实验中的应用
2
3
示波器在物理学、化学、生物学等科学领域中被广泛用于研究各种波动现象，例如声波、光波、电磁波等。
科学研究
在电子设备的设计、制造和维修中，示波器被用于测量电压、电流、频率等电参数，以及观察和分析电路的运行情况。
示波器调整的实验案例分析
04
示波器的使用（测声速）

海水声速快速高精度测量方法

海水声速快速高精度测量方法乔纯捷;王跃科;黄志刚【摘要】The velocity of sound is one of the important acoustic parameters in ocean.For realizing rapid and high-precision measurements of seawater sound velocity,a sound velocity measurement method whose system architecture is simple was adopted.The measurements of sound propagation time and velocity value were achieved by continuous wave signal’s parameter estimation method.A pseudo-random sequence was introduced to modulate and handle continuous waves,which overcame the cycle ambiguities and echo interference problems of single-frequency signal in measurement.A sound velocity measurement platform was built to conduct system calibration and measurement experiment.Experiment results show that this method has high accuracy and fast response and is suitable for ocean sound velocity profile measurement on subaqueous mobile platform.%为实现对海水声速快速、高精度的测量，采用一种系统结构简单的声速测量方案。

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）。

声速测量实验

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安装仪器：将声速测量仪放置在无回声的实验室内，确保仪器稳定
开始测量：调整信号发生器，使声波通过声速测量仪，观察示波器上的波形，记录数据
数据处理与分析
数据记录：准确记录实验过程中的各项数据，包括声速测量值、温度、气压等。
数据处理：对收集到的数据进行处理，包括数据清洗、异常值处理等。
THANK YOU
汇报人：XX
实验结论：根据实验数据和误差分析得出结论
误差来源分析
测量设备误差：设备精度不足或老化可能导致测量误差
环境因素：温度、湿度、气压等环境因素变化可能影响声速测量结果
操作误差：实验操作不规范或误差可能导致测量结果偏离真实值
信号源稳定性：信号源不稳定可能导致声速测量结果不准确
误差对结果的影响
原理：利用压电效应将电信号转换为声波信号
特点：频率高、波长短、方向性好
应用：声速测量实验中用于产生超声波信号
超声波接收器
作用：接收超声波信号
组成：接收电路、信号处理电路和显示模块
特点：高灵敏度、低噪声、抗干扰能力强
应用：声速测量实验中接收超声波信号，进行数据处理和实验结果展示
实验总结与展望
实验收获与体会
掌握了声速测量的基本原理和方法学会了使用声速测量仪器进行实验操作了解了声波在不同介质中的传播特性培养了实验操作能力和数据分析能力
实验不足与改进建议
实验数据采集和处理存在误差，需要采用更精确的测量仪器和方法。
实验操作过程不够规范，需要加强实验技能培训。
存储实验数据和结果
显示实验图像和波形
实验步骤

初中物理八年级2015寒假《声音、路程与速度》计算题专题辅导讲解及练习题

专题声音方面的计算题专题1、甲乙两同学分别在一跟铁管2侧，铁管长153米，甲在其一端敲击了一下，乙同学听见了两次声音。

已知听到两次声音的间隔为0.42秒。

求声音在铁管中传播的速度。

2.。

某同学欲测出一段较长废铁轨的长度，小亮同学戴了一块电子表，他们让小亮将耳朵贴在铁轨的一端，另一位同学用力敲击铁轨的另一端，小亮听到一声敲击声后，经过0.5 s又听到一声敲击声.（当时的气温为15 ℃）请你帮他们计算出铁轨的长是多少？3、有一山峡宽1200米，两旁都是峭壁。

有人在山峡内放一枪，他听到头两次回声间隔5秒，求这个人离两峭壁的距离。

（空气中声速为340m/s）4、有一山谷，两旁都是峭壁，有位猎人在山谷内放了一枪，0.5s听到第一声回声，1.5s后听到第二声回声.求这个山谷的宽度?5 甲乙两人相距120m，两人距高大光滑的墙壁均为80m,现甲敲一下手中的鼓声，乙先后听到两声鼓声，求乙听到第一声鼓声与乙听到第三声鼓声之间相隔多长时间？6、.有一山谷宽1800m,两旁都是峭壁,有人在山谷内放一枪,他听到头两声回声间隔为4s,求这个人距两峭壁的距离.(此时气温为15摄氏度)7、有甲、乙二人测量河岸到峭壁的距离，乙站在岸边，甲离乙20m远，他们站在一条从河岸到峭壁的直线上，甲放了一枪，乙听到两次枪响，测得两次枪声的时间间隔为4s，求河岸到峭壁的距离。

（设声音传播速度为340m/s路程与速度计算题一、关于速度、路程和时间的问题。

(如果正解困难，就画图分析) 必记：1、通常的速度，路程和时间的求解（1）在爆破中，引火线的燃烧速度为1cm/s，人跑动的速度为8m/s，若点燃后人能跑到150米外的安全地区，引火线至少长多少？(2) 小球沿20m的长斜面滚下后，又在水平地面下滚动50m的距离后停下。

小球在斜面和水平地面上滚动所用的时间分别是：4s和20s。

小球在斜面上、水平地面上和整个路程的平均速度分别是多少？（3）预定车队从甲地出发以40km/h的速度行驶4.5h后到达乙地，车队以预定速度出发一段时间后中途停车0.5h，随后以50km/h的速度继续行驶，恰好到达。

测量声速的原理

测量声速的原理
声速是指声波在介质中的传播速度。

测量声速的原理可以通过测定声波传播的时间和传播的距离来实现。

一种常用的方法是通过测量声波在空气中的传播时间和传播距离来计算声速。

首先，在已知温度和大气压力的条件下，可以根据声速与温度和压力之间的关系得到近似值。

然后，选择一个较远的距离，例如在一个广阔的地区，设置一个发射器和一个接收器，它们之间的距离为已知的L1。

实验开始时，发射器发出一个声波脉冲。

当声波到达接收器时，接收器将会接收到声波信号。

通过计算发射器发出声波到接收器接收到声波之间的时间差Δt，可以使用以下公式计算声速V：
V = 2L1 / Δt
为了提高测量的精确度，可以在不同的温度和大气压力下进行多次测量，并取平均值。

除了上述的方法，还有一些其他的测量声速的原理。

例如，可以使用光束和声波的干涉和衍射来测量声速。

在这种方法中，光束和声波以不同的速度传播，由此可以推导出声速。

此外，还可以利用超声波在材料中的传播时间来测量材料中的声速。

超声波在材料中传播的时间与声速成正比。

通过测量超声波传播的时间和已知的材料厚度，可以计算出声速。

总之，测量声速的原理主要是通过测量声波在介质中传播的时间和距离来实现。

不同的测量方法可以根据具体的实验条件和材料来选择。

【实验】大学物理实验报告5

【关键字】实验【实验题目】声速的测定班级姓名学号上课日期 2015年月日教室房间组号任课教师签字：最终成绩：【实验目的】1. 了解压电陶瓷换能器的功能2. 了解超声波产生和接收的原理3. 学会用共振干涉法和相位比较法和时差法测定声速。

【实验原理】1. 压电传感器的工作原理。

2. 共振干涉（驻波）法测量波长的原理。

3. 相位比较法测量波长的原理。

4.时差法测量声速的原理：声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系：L=V*t ，只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V 。

通过测量二换能器发射接收平面之间距离L 和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。

固体中的纵波声速：铝：C 棒=5150m/s ，有机玻璃：C 棒=1500～2200m/s 。

5. 固体介质中的声速测量在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。

所以本仪器实验时采用同样材质和形状的固体棒。

固体介质中的声速测量需另配专用的SVG 固体测量装置，用时差法进行测量。

实验提供两种测试介质：有机玻璃棒和铝棒。

每种材料有长50mm 三根样品，只需将样品组合成不同长度测量两次，即可按上面的方法算出声速：11i i i i i L L v t t ---=- (5-2-11)图5-2-5 测量固体介质中声速的接线图（1）按图5-2-5连接线路，将测试方法设置到“脉冲波”方式。

（2）将接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以计时器不跳字为好。

将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用接收换能器的自重与固体棒端面接触。

（3）记录计时器的读数为t i-1(时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)，固体棒的长度为L i-1。

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。

声速测定实验报告(一)

声速测定实验报告（一）引言概述：声速测定实验是一种常见的物理实验，通过测量声波在介质中传播的速度，可以研究介质的性质和结构。

本实验通过使用特定仪器和方法，测定了声波在不同介质中的传播速度，并通过实验数据进行分析和计算，得出了准确的声速数值。

正文：1. 实验目的1.1 目的1：掌握声速测定实验的基本原理与方法。

1.2 目的2：研究声波在不同介质中传播的速度差异。

1.3 目的3：了解声速与介质性质的关系。

2. 实验仪器与材料2.1 仪器1：声波发生器2.2 仪器2：示波器2.3 材料1：空气2.4 材料2：水2.5 材料3：固体介质（如金属板或塑料板）3. 实验步骤3.1 步骤1：准备实验仪器和材料3.2 步骤2：将声波发生器置于空气中，并调节频率和幅度3.3 步骤3：使用示波器测量声波的传播时间3.4 步骤4：重复步骤2和3，但将介质更换为水和固体3.5 步骤5：记录实验数据并计算声速4. 实验结果与数据分析4.1 结果1：测得空气中声速为350 m/s4.2 结果2：测得水中声速为1500 m/s4.3 结果3：测得固体中声速为5000 m/s4.4 数据分析1：介质密度对声速的影响4.5 数据分析2：介质的弹性模量对声速的影响5. 结论与讨论5.1 结论1：声速与介质性质密切相关5.2 结论2：空气中声速较低，水中声速中等，固体中声速较高5.3 讨论1：实验误差分析与改进方法5.4 讨论2：声速测定在实际应用中的重要性5.5 讨论3：声速在不同介质中的传播特性及其应用领域总结：本实验通过声速测定方法，研究了声波在不同介质中的传播速度差异，并得出了声速与介质性质之间的关系。

实验结果表明，声速与介质的密度和弹性模量密切相关。

此实验对于深入理解声波传播和应用具有重要意义。

为准确测定声速提供了可靠的实验方法和数据。

超声实操考核一次性规定

超声检测Ⅱ级实操考核一次性规定一、检测标准按NB/T47013.3-2015执行，以下规定与标准不一致时，按本规定执行。

本规定仅适用于本次考核，不作为其他超声检测操作的依据。

二、Ⅰ级人员本次仅考核钢板检测和焊缝检测时的仪器调节（包括：DAC曲线制作、检测数据记录并画出调节仪器时的DAC曲线）。

三、学员须自备探头和探头线，禁止借用。

四、参加考试的学员须提前30分钟在考场外候考，并请安静，耐心等待，不得有大声喧哗等影响考试的行为。

按考核安排时间点名签到后方可进入考场，不按时或点名未到者视为弃考，不再另行安排考核时间。

五、进入考场时只准带身份证、笔、计算器、准考证等相关证件，其余一律不准带入考场，包括“标准”。

手机关机，考核期间接打电话和使用手机等行为统统视为作弊。

六、考核用记录纸及“标准”由考委会提供。

考生交卷时连带记录纸和超声检测报告一同上交。

七、Ⅱ级实操考试上机时间为80分钟，出报告时间为30分钟；Ⅰ级实操考试上机时间为60分钟，出报告时间为30分钟。

上机时间和出报告时间均为考试时间。

八、本次考核不对缺陷进行定性评定。

九、实际操作期间，搬动试块和工件时（原则上是不允许的）需注意安全，小心刮伤、砸伤人员。

十、考试设备进行检测时，仪器内的“自动计算”功能应关闭，一经发现，视为考试作弊。

一、钢板检测：1.钢板检测时，将钢板编号置于左上角位置或正上方位置。

2.钢板检测时，所有厚度的钢板均采用单直探头进行检测。

探头选用应符合NB/T47013.3-2015标准的规定。

3.钢板四周各20mm范围内的缺陷不计。

当这个区域外的缺陷延伸到这个区域时，延伸的部分应计入缺陷面积内。

4.钢板以其长边为压延方向。

5.钢板检测时，应检测出所有缺陷并在记录示意图上显示。

当钢板中有多个缺陷时，仅对最右侧的缺陷进行测量并评定。

6.对记录的缺陷按NB/T47013.3-2015中“表6 承压设备用板材中部检测区域质量分级”进行评定。

大学声速测定实验报告

一、实验目的1. 理解声速测定的原理和方法。

2. 掌握使用驻波法、相位法测量声速的实验操作。

3. 学会使用示波器和信号发生器等实验仪器。

4. 通过实验，加深对声学基本概念的理解。

二、实验原理声速是指在介质中声波传播的速度。

声速的大小与介质的性质（如密度、弹性等）有关。

在空气中，声速还与温度有关。

本实验通过驻波法和相位法测量声速，具体原理如下：1. 驻波法：当两束频率相同、相位相反的声波相遇时，会发生干涉现象。

在干涉区域内，声波相互叠加，形成驻波。

通过测量驻波的波长和频率，可以计算出声速。

2. 相位法：通过测量声波传播过程中相位的变化，可以计算出声速。

相位法通常使用示波器观察声波波形，并测量波形之间的相位差。

三、实验仪器1. 声速测定仪2. 示波器3. 信号发生器4. 移动尺5. 温度计四、实验步骤1. 测量室温：打开声速测定仪，预热5分钟。

使用温度计测量室温，记录数据。

2. 驻波法测量声速：a. 将声速测定仪的两个压电陶瓷换能器靠在一起，检查两表面是否水平。

如果不水平，将其调平。

b. 将函数信号发生器接超声声速测定仪的发射端，示波器接接收端。

函数信号发生器选择正弦波，输出频率在300Hz左右，电压在10-20V。

c. 通过示波器观察讯号幅度，调整移动尺改变测定仪两端的距离，找到使讯号极大的位置。

在极大值附近应该使用微调，即固定移动尺螺丝，使用微调螺母调整。

d. 从该极大位置开始，朝一个方向移动移动尺，依次记下每次讯号幅度极大（波腹）时游标的读数，共12个值。

3. 相位法测量声速：a. 将超声声速测定仪的两个压电陶瓷换能器靠在一起，检查两表面是否水平。

如果不水平，将其调平。

b. 将函数信号发生器接超声声速测定仪的发射端，示波器的CH1接在接收端，CH2接在发射端。

选择CH1、CH2的X-Y叠加。

函数信号发生器选择正弦波，输出频率在300Hz左右，电压在10-20V。

c. 通过示波器观察李萨如图形，调整移动尺改变测定仪两端的距离，找到使图形为一条斜率为正的直线的位置。

声速的测量实验研究

2021.01科学技术创新声速的测量实验研究于洪杰（齐齐哈尔工程学院，黑龙江齐齐哈尔161005）1概述笔者从基于声速的测量基本原理出发，对该实验进行了理论阐述，总结其误差的来源，提出教师利用网络平台讲解实验原理，演示实验过程，借助物理软件居家测量声速实验，对原理有更好的理解，更真的体验，进入实验室利用仪器设计方案进一步测量声速实验，加深对实验过程的体验，促进对理论原理的理解，对驻波及振动合成等理论知识有了更清晰的认识。

2实验原理声波的传播速度v ，可以由声波频率f 和波长的乘积得到，即其中声波频率可由信号发生器的显示屏读出，实验中的主要任务转化为测量声波的波长。

2.1共振干涉法（驻波法）设在坐标原点，入射波和反射波初位相为零，两列振幅相同的相干波相向传播的波动方程分别为：式中A 为波的振幅，为角频率，为波长。

两波在空间某点相遇，介质中各处质元的合位移可表示为[1]式中与质点所在位置x 有关，表明各质点的振动随x 的变化。

为声波传播到坐标x 处产生的相位变化。

为此，可以采用两种方法测得声速，一种是通过比较相位变化，称为相位比较法，另一种根据驻波的特性分析，称为驻波法（也称共振干涉法）[2]。

为各点振幅，各质点都在作频率相同，振幅不同的简谐振动。

若，即，此时两列波合成振幅最大，可得坐标位置为：当换能器的接收端和发射端之间的距离恰好为半波长整数倍时，接收端的声压最大，介质振动最强，即时，示波器显示的信号振幅达到极大值。

由纵波的性质可知，“位移节”处是声压的波腹，也就是反射面为“声压腹”。

读出游标卡尺的位置，根据逐差法处理实验数据可得波长值，进一步计算声速。

2.2相位比较法设两振动频率相同，以质点的平衡位置为坐标原点，分别输入到示波器的x 轴和y 轴，振动方程分别为合振动方程为当或，即两个振动同相位，可得质点的运动轨迹是一、三象限一条直线。

当或，即两个分振动反相。

可得：质点仍在直线上作简谐振动，轨迹在二、四象限。

声波多次往返叠加对相位比较法测量声速的影响

声波多次往返叠加对相位比较法测量声速的影响李轩;方锦江;单桂晔;高志华【摘要】相位比较法测量声速实验中,由于声波在传输过程中存在衰减、反射以及在收、发换能器之间多次反射叠加,当收、发换能器间距较小时,发射信号和接收信号合成的李萨如图形变化规律与理论不一致,即,接收器移动1个波长的距离,示波器中观察到合成直线段在同相和反相区域分别连续出现多次,该现象影响了学生对实验现象的判断和实验测量.本文通过理论计算分析,声波在收、发换能器之间的多次往复反射叠加次数增加,声波传输衰减小和换能器表面反射系数大会增大该现象产生的强度和持续的空间范围,理论计算直观地说明了接收器接收的声压信号与空气振动信号之间的关系和利用相位比较法测量声速的合理性.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2018(038)004【总页数】5页(P47-51)【关键词】声速测量;相位比较法;声波叠加【作者】李轩;方锦江;单桂晔;高志华【作者单位】东北师范大学物理学院,吉林长春 130024;东北师范大学物理学院,吉林长春 130024;东北师范大学物理学院,吉林长春 130024;东北师范大学物理学国家级实验教学示范中心(东北师范大学),吉林长春 130024;东北师范大学物理学院,吉林长春 130024;东北师范大学物理学国家级实验教学示范中心(东北师范大学),吉林长春 130024【正文语种】中文【中图分类】O422.1声速测量是大学物理实验的基本题目，对学生深入理解振动叠加和驻波的相关理论知识以及声音传播的衰减现象有着重要作用．驻波法和相位比较法是大学物理实验中测量声速的常用方法[1]. 驻波法是利用声波在发射器和接收器之间形成驻波，首先测量相邻波腹的间距得到波长，进而结合信号频率得到声速；相位比较法则将接收器的接收信号视为行波，利用声波相位随传播距离而滞后现象，通过比较接收器接收信号和发射器的发射信号的相位，测量出接收器接收信号的相位变化2π时移动的距离得到波长，进而得到声速．目前，关于驻波法测量声速存在的问题已有较多研究，如：由于声波在传输过程中存在衰减使得接收器的接收信号振幅极大值随着收、发换能器间距增大而变小，且最小值不为零[2-4]；由于声波在收、发换能器间发生多次反射使得接收到的信号振幅极大值产生强弱交替分布的现象[5-6]；另外，研究还发现接收器接收到的信号为声压信号而不是振动信号[7]．由于相位比较法利用两路信号同相或反相时李萨如图形合成一条直线段，通常被认为该方法测量声速更加准确[3-4]，目前对于相位比较法测量声速实验存在的问题研究较少．实验中发现，得到的李萨如图形变化规律与理论预期并不一致，尤其当收、发换能器间距较小时，两信号合成的直线段在一个象限内会连续多次出现．这对判断两信号的同相和反相状态造成严重影响，使得声速测量误差较大．本文通过理论计算研究了声波的传输衰减、换能器表面反射系数以及声波在收、发换能器之间往复反射次数对声速测量的影响．1 相位比较法测量声速原理利用相位比较法测量声速装置如图1所示．将信号发生器的信号分别输入示波器X输入端和发射换能器，当信号频率达到超声换能器共振频率时，换能器辐射声波最强．接收器接收超声波声压信号并将其转换为电信号输入示波器的Y通道，在示波器中可以观察到两信号合成的李萨如图形，由于两信号频率相同，因而李萨如图形为椭圆．通过改变接收器的位置可改变接收器信号的相位，从而得到不同的李萨如图形．理论上，当两信号的相位差为2kπ时(同相)，合振动轨迹在一、三象限形成一条直线，当两信号的相位差为(2k+1)π时(反相)，合振动轨迹为二、四象限的一条直线，其中k为整数，连续2次同相或反相对应接收器的移动距离为1个波长λ．图1 相位比较法测量声速原理图考虑到声波的传输衰减和在换能器表面多次反射，设声波传播衰减系数为α，在2个换能器表面的反射系数均为β，声波在收、发换能器之间的信号往返传播次数n，则发射器射向接收器的信号及接收器射向发射器的信号分别为：n=0,1,2,…(1)n=0,1,2,…(2)其中，A0为信号最初振幅，λ为声波波长，ω为角频率. 声场中各处的振动为(3)根据声学理论可得到各处的声压波动方程为[8](4)其中ks为空气的绝热体变弹性模量．李萨如图形的轨迹为(5)2 计算结果与分析相位比较法测量声速,发射器和接收器信号合成的李萨如图形为椭圆．当两信号的相位差为kπ(同相或反相),椭圆的短半轴为0；当两信号相位差为(2k+1)π/2时，椭圆的短半轴最大，式中k取整数．随着两信号的相位差变化椭圆短半轴经历极大-极小-极大的周期性变化．为了清楚地描述李萨如图形随接收器位置的变化的周期性，采用椭圆短半轴描述两信号的相位差变化的周期性, 图2为两信号振幅相同时椭圆短半轴与两信号相位差数值的对应关系，其中,图2(a)为合成椭圆的短半轴随接收器位置变化曲线，当短半轴为0时，对应两信号同相[图2(b)]或反相[图2(c)]; 当短半轴取值极大时，对应两信号相位差为π/2的奇数倍图2(d)．图2中收、发换能器间距采用实际距离除以波长表示，即D/λ．图2 椭圆短半轴与相位差对应关系2.1 接收器接收的声压信号模拟分析超声声速仪的发射器和接收器由压电陶瓷制作而成. 发射器利用压电材料的逆压电效应，压电陶瓷环片在交变电压作用下，发生纵向机械振动，在空气中激发超声波，把电信号转变成声信号. 接收器利用的是压电材料的压电效应，空气振动使压电陶瓷环片发生机械形变，从而产生电场，把声信号转变成电信号. 由于学生对超声换能器比较陌生，对声换能器的接收信号也缺乏了解，很多学生误认为超声声速仪的接收器接收到的空气分子的振动信号．当不考虑换能器转换信号所造成的延迟，根据式(4)可知，声压信号比振动信号的相位滞后π/2, 为了直观地表明这种差异，模拟了无传输衰减的声波振动信号、有传输衰减振动信号和有传输衰减声压信号分别相对于发射信号的相位差随收、发换能器间距增加的变化规律，衰减系数取为α=0.02 dB/mm[6]，信号频率设为40 kHz，结果如图3所示．可见，传输衰减不能改变信号的振动周期，虽然接收器处的声压信号和空气分子振动信号存在相位差，但两信号的周期性完全相同，因而利用声压信号测量声速是合理的．图3 声压信号与质点振动信号对李萨如图形影响2.2 信号往复传播叠加次数对李萨如图形的影响利用相位比较法测量声波波长时，示波器X输入信号为发射器的输入信号x(0,t)，Y输入为接收器的声压信号，由于声波的传输衰减，接收器的声压信号p(x,t)的振幅随着接收器与发射器的距离增大而逐渐减小. 若保持示波器信号各通道的衰减不变，则两信号同相和反相时观察到直线段随着收、发换能器间距增大，长度将逐渐减小，与水平轴夹角逐渐减小，这些不会引起测量误差．然而，实验发现，接收器和发射器间距在λ内出现的同相和反相的次数之和多于2，如图4所示，其中图4(a)～(e)为同相，图4(f)～(i)为反相．在接收器移动1个波长李萨如图形接近直线的情况出现9次，这与理论分析矛盾，分析造成这一现象的原因，可使学生避免实验测量出现错误，加深学生对波的叠加规律的理解.(a) (b)(c) (d)(e) (f)(g) (h)(i) (j)图4 相位比较法测量声速实验现象根据式(3)～(4)可知，当n取不同值时，声压信号是由振幅不同的正弦和余弦函数相加得到，其合成的李萨如图形随接收器位置移动变化复杂. 不同往复叠加次数n 的取值对合成李萨如图形的影响如图5所示. 图5中列出n=0,n=1和n=7时椭圆短半轴随收、发换能器间距增加的变化情况．传输衰减系数取为20 dB/m，反射系数取0.8.图5 反射次数对李萨如图形的影响比较图5中3条曲线可知，当接收器位置一定，随着n增加，合成椭圆的短半轴极大值逐渐增大，这是由于信号往返次数越多，到达接收器的能量越大，而往返次数越少，到达接收器的信号能量越少．另外，当计入的往返次数足够多时(N=7)，在收、发换能器间距较小时(小于λ/2)，椭圆短半轴的数值在极小值附近出现多次反复，与图4所示现象相一致. 随着收、发换能器间距增大，这种现象逐渐减弱消失．可见，由于声波信号在收、发换能器间多次往返，使得合成的李萨如图形变化复杂，反射次数越多对实验影响越大．因此，利用相位比较法测量声速时，可采取措施减少声波在收、发换能器间反射次数，测量时避开收、发换能器间距较小的位置．2.3 换能器表面反射系数对李萨如图形的影响由于超声换能器的制作材料、使用状况不同，表面的清洁和光滑程度存在差异，因而对声波的反射系数不同．反射系数决定了信号多次往复叠加的能量大小，因而影响李萨如图形形状．图6列出了换能器反射系数分别为0.6，0.8和1.0时，椭圆短半轴随收、发换能器间距的变化，图中α=20 dB/m,n=7．由图6中可知，随换能器表面反射系数增大，接收器接收信号能量增强，椭圆短半轴极大值逐渐增大，这有利于实验观测；对于不同换能器表面反射系数，椭圆短半轴极大值出现的位置相同；当收、发换能器间距较小(小于λ)时，换能器表面反射系数越大，接收器信号与发射信号同相或反相状态连续出现的现象越明显，且维持的空间范围也越大，随收、发换能器间距增大该现象逐渐消失．可见，换能器表面反射系数大使得李萨如图形变得复杂，不利于实验测量，为避免同相和反相状态连续出现的现象，可采取措施适当减小换能器表面的反射系数，使其既能有效反射声波又能避免此现象的影响，另外，避开收、发换能器间距较小的区域进行测量也是有效方法．图6 反射系数对李萨如图形的影响2.4 声波传输衰减对李萨如图形的影响声波在介质中的传输衰减包括介质的吸收衰减和由于声波发射产生的几何衰减，实验中由于收、发换能器间距较小，且两换能器采用正对的方式，因此，可忽略声波的几何衰减．空气吸收衰减系数越大，接收器接收的叠加声波信号幅值越小，在相同的收、发换能器间距上，反射次数越多幅值越小，合成的直线段长度极大值和倾角随着收、发换能器间距改变而改变．图7列出了当α分别取1,10,20 dB/m 时合成椭圆短半轴随收、发换能器间距的变化情况．为方便比较，将10 dB/m 和20 dB/m曲线做了向上平移．此处β=0.8，n=7．图7 反射系数对李萨如图形的影响由图7可以看出，当声波传输衰减系数较小(1 dB/m)时，两信号同相或近同相和反相或近反相连续出现的现象更明显，且保持的空间范围更大，这对会造成学生对实验现象的误判. 当接收器位置一定时，声波传输衰减系数越大，合成椭圆短半轴极大值越小，李萨如图形越小，因此不利于实验信号观测，通过调节示波器的信号衰减倍数，可使图形变大利于观测．随着收、发换能器间距增加，上述现象逐渐消失，但是由于声波信号衰减，李萨如图形会变小，也不利于实验观测．可见，声波传输衰减有利于降低连续出现的同相和反相现象，但也会造成李萨如图形变小不利于观测．为了获得适合实验观测的李萨如图形，一方面应适当选择对超声吸收不太强的介质，另一方面，避开收、发换能器间距较小的区域进行观测．3 结论通过计算发射器、接收器信号合成的椭圆短半轴，研究了造成相位比较法测量声速实验中，连续多次出现同相或近同相和反相或近反相现象．研究表明:收、发换能器之间的往返叠加次数越多、声波在换能器表面的反射系数越大和传输衰减越小，在收、发换能器间距约小，该现象越明显，反之越弱．研究还表明:各因素不影响合成信号的同相和反相出现的周期性．另外，理论计算证明了利用超声换能器接收声压信号进行相位比较法测量声速的合理性．[1] 杨述武，孙迎春，沈国土. 普通物理实验(一、力学、热学部分)[M]. 5版. 北京:高等教育出版社出版, 2015:107-112.[2] 邓小玖,宋勇,高峰,等. 声速测量实验的研究及数值模拟[J]. 物理与工程,2006,16(2):24-25.[3] 张涛,吴胜举,张永元. 空气中声速测量实验研究[J]. 陕西师范大学学报(自然科学版),2004,32(1):44-46.[4] 谢莉莎,刘彩霞,肖苏,等. 能量损耗对超声声速测量影响的进一步研究[J]. 大学物理实验, 2005,18(3):1-3.[5] 孙航宾,黄笃之,张禹涛. 声速测量实验假象的探讨[J]. 大学物理实验,2011,24(4):50-52.[6] 李乐天,关健慧,夏柱红,等. 驻波法测声速实验中峰值强弱交替现象的研究[J]. 物理与工程, 2016(s1):84-87.[7] 陈殿伟,盖啸尘,王严东. 驻波法测定超声波声速实验的探究[J]. 大学物理实验,2006,19(3):36-39.[8] 张三慧. 大学物理学(波动与光学)[M]．北京：清华大学出版社，2000：83-84．。