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

【实验目的】

1.学会使用共振干涉法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。

2.学会用逐差法进行数据处理。

3.了解声速与气体参数的关系。

【实验原理】

由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。超声波的发射与接收一般是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。

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以及波长入有如下

关系：

f( 1 )

测出声波波长入和声源的振动频率f就可以由式(1)求出声波的传播速度。声波频率

f可通过频率计测得，本实验的主要任务是测出声波波长入。

1.共振干涉法

实验装置如图

图1 共振干涉实验装置

图2

图中si和s2为压电晶体换能器，si作为声波源，它被振荡频率可以调节的低频信号发生器输出的电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向周围空气定向发出一近似平

面声波；s2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当si和s2的表面互相

平行时，声波就在两个平面间反射，相互干涉。

经数学运算可知，在接收器S2表面，从振动位移来说是波节，从声压来说是波腹；在

发射器si表面，则情况较为复杂，其振幅与两个表面的间距有关，所以其振幅随si和s2 表面的间距L而变，当

L n ,n=0,i,2,3,...., ,

2

振幅为极大值，称为共振。这是接收器S2接收到的声压也是极大值，经接收器转换成

的电信号也是极大值（参见图2）。

图中各极大值之间的距离均为入/2,由于衍射和其他消耗，各极大值幅值随距离增大而

逐渐减少。我们只要测出与各极大值对应的接收器S2的位置，就可以测出波长入。

若用游标卡尺测出20个极大值的位置，并依次算出每经iO个入/2的距离：

|_ii i L ii L i i0?,

L i2 2 L i2L2 i0"2

L20 iO L

20 L iO i0"2

把等式两边各自相加，得

ii L -）i

100

2

10

若测不到20个极大值，则可少测几个。列如测到 12个极大值，可依次算出他们经 6 个—

的距离，最后得

2

2. 相位法测声速

相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来进行测量的。

由声源发出的声波在沿其传播方向上， 相位差为 的两质点之间的距离为半个波长

因此，只要测出相位差为

的两质点之间的距离

d ,就可由

d -

2

计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。

改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的 相位差，记下相位差每变化

时反射面的位置 d ，求出相位差变化

时反射面位置的变化

示波器测两信号的相位差有两种方法： 双踪示波法和李萨如图形法， 本实验用李萨如图

50 i i

L

（10 i ） i

由低频信号发生器或频率计读得超声波的频率

10

50 i 1

L

（10 i ） i

f 后，即可由下式求得声速

(2)

18

L

（6 i ） i

（3）

（4.2.4）

实验中保持声源的位置不变, 教昼祐标尺

形测两点的相位差。将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上， 在示波器

上观察到的李萨如图形是一椭圆，

当改变反射面的位置时， 两信号的相位差发生变化， 李萨

如图形由椭圆T 直线T 椭圆T 直线发生周期性变化， 如图4所示，其中相邻两次出现直线时

反射面位置的变化就是相位差为

时两质点的距离

d 。

图4

与共振干涉法相类似，可测得 20个或12个相应的数值，以便进行数据处理。 3•逐差法处理数据

以上处理数据的方法称为逐差法，是试验中处理数据的一种基本方法。

逐差法的优点是充分利用数据，减少偶然误差。因为若简单地取各次测量的平均值，

中

间各值将全部抵消，只剩始末两个读数，因而与单词测量等价。如在本实验中按以下方法处 理数据：

L 1 o

L 1

L

o

L 21 L 2 L 1

2

L

20 19

L 20

L

19

~2

其平均值为

.1

L

20

L

1 0

L

2 1 ....

L

20 19

1 20

L 20

L 0

2

得到结果就只与

L 20

, L O

两个读数有关。这样就失去了多次测量的优点。

2 1 0

2 1 2 1

2

从误差理论可知，多次测量时算术平均值为最近真值。 为避免以上情况，一般在连续测

量数据的情形时，长把数据分为两组，两组逐次求差再算平均值。这样得到的结果保持了多 次测量的优点，但应注意，只有在连续测量的自变量为等距变化， 相应两个量之差是均匀的

情况下，才可用逐差法处理数据。 【实验内容与步骤】

1. 共振干涉法测声速

1•将信号发生器输出的正弦波信号加在声速测试仪的发射端，声速测试仪的接收端与 示波器相连（y i

通道）。如图5所示。

2.

转动距离调节手把，使声速测试仪的发射端和接收端的两个端面相距为

1cm 左右，

并使两个端面保持平行。调节信号发生器的频率（换能器的谐振频率为 40KHZ 左右），观察

示波器上波形幅度的变化，当接收到的信号幅度最大时，记录 5次信号发生器的频率 f （f

为共振频率）并取平均值 f'并在实验中保持f '不变。

3.

缓慢转动距离调节手把， 使声速测试仪的接收端远离发射端， 观察示波器上图形的

变化。当示波器上波形幅度最大时，记录声速测试仪接收端的位置读数。 转动手把连续读取 20个波形幅度最大时测试仪接收端的位置读数。相邻读数的差值即为

入/2。

4. 用逐差法求波长 ，将f 和 代入（1 ）式求出声波的速度。同时用下列校

正公式 算出

式中，t 0

=273.15 C ； p 为水蒸气压，单位为mmHg p

为大气压，单位为

331.25 1

t

干

\ t 1 0.3192

p

331.25 1 t

\ t 0

图5