声速的测量课件.ppt

1、声速的测量物理实验示范中心主讲：王世亮实实 验验 目目 的的 1、学会用振幅法何位相法测定空气、学会用振幅法何位相法测定空气 中的声速中的声速2、学习数字式函数发生器、示波器、学习数字式函数发生器、示波器 的使用的使用3、了解声速测量的应用和发展、了解声速测量的应用和发展 目 录一、声速的特点一、声速的特点二、声速的实验原理二、声速的实验原理三、声速的测量原理三、声速的测量原理1.1.振幅法振幅法 2.2.相位法相位法 四、实验仪器四、实验仪器五、实验内容及现象五、实验内容及现象六、有关声波研究的应用和发展六、有关声波研究的应用和发展1.1.声速声速测量仪测量仪2.2.传感器传感器3.3.示波

2、器示波器4.4.信号发生器信号发生器一、声速的特点 频率在频率在2020000Hz的声振动在弹性媒质中所的声振动在弹性媒质中所激起的纵波称声波。声波是一种机械波。频率超过激起的纵波称声波。声波是一种机械波。频率超过20000Hz的声波称为超声波。的声波称为超声波。声波的频率、波长、速声波的频率、波长、速度、相位等是声波的重要特性。度、相位等是声波的重要特性。RTv 声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决于空气本身的性质，因此有取决于空气本身的性质，因此有-绝热系数，绝热系数，R-摩尔气体常数，摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质空气分子的摩尔质量，

3、量，T-绝对温度绝对温度下一页15.273t15.27345.331tv 由此可见，气体中的声速由此可见，气体中的声速 v 和温度和温度 T 有关，还与比热有关，还与比热比比 及及摩尔质量摩尔质量 有关，后两个因素与气体成分有关。因有关，后两个因素与气体成分有关。因此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。在标准状态下，在标准状态下，0 oC时，声速为时，声速为 vo331.45ms，显显然在然在 t oC时，干燥空气中声速的理论值应为时，干燥空气中声速的理论值应为 由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是由此我们也可以想象，在极地

4、和赤道声音传播的速度是不同的不同的。返回返回二、实验原理 本实验是对超声波波速的测量。测量声速最简单、本实验是对超声波波速的测量。测量声速最简单、最有效的方法之一是利用声速最有效的方法之一是利用声速v、振动频率振动频率 f 和波长和波长 之之间的基本关系，即间的基本关系，即 v=f 测出声振动频率测出声振动频率 f 和声波的波长和声波的波长，就可算出声波就可算出声波的波速的波速 v。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。实验室中常利用，用实验室中常利用，用振幅法振幅法、相位法相位法测定波长测定波长，由由函数发生器或示波器直接读出频率函数发生器或示波器直接读出频率

5、f。1.振幅法 振幅法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平振幅法也称驻波法。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面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射,并并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处于波腹。于波腹。位移声压S1S2三、测量原理返回返回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

6、传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同(同相同相:相相位差为位差为0)或者说其相位差为或者说其相位差为2的整数倍时两点间的距的整数倍时两点间的距离应等于波长离应等于波长的整数倍，即的整数倍，即 l=n (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。相位法又可分为相位法又可分为行波法行波法和和李萨如图形法李萨如图形法。下一页行波法 将发射信号和接收信号同时输入到示波器，此将发射信号和接收信号同时输入到示波器，此时示波器上同時顯示的發送和接收電信号。当改变时示波器上同時顯示的發送和接收電信号。当改变两个换

7、能器之间的距离时，发送信号不变，而接收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，当接电信号（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。1x2x12xxl下一页李萨如图法位相法的另一种测量方法是李萨如图法位相法的另一种测量方法是李萨如图法当两路信号同时输入输入示波器时，荧光屏上当两路信号同时输入输入示波器时，荧光屏上将显示出两个同频率相互垂直的谐振动的叠加将显示出两个同频率相互垂直的谐振动的叠加图形图形李李

8、萨如图萨如图24434547223012两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长 。返回返回三、实验仪器 本实验使用的仪器主要有：声本实验使用的仪器主要有：声速测量仪、速测量仪、函数发生器和示波器。函数发生器和示波器。声速测量仪声速测量仪由：超声压电陶瓷由：超声压电陶瓷换能器换能器、带有标尺的底座和读数装置、带有标尺的底座和读数装置构成，用来作声压与电压之间的转换，构成，用来作声压与电压之间的转换，以及波长的测量。以及波长的测量。函数发生器函数发生器用来产生超声波；用来产生超声波；示波器示波器用来观察超声波的振幅、用来观察超声波的振幅、相位和频率。相

9、位和频率。1.声速测量仪读数装置压电陶瓷换能器标尺底座返回返回传感器及它的内部结构 传感器是物理实验中常用的间接测量元件。本实验传感器是物理实验中常用的间接测量元件。本实验中使用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来中使用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来产生机械振动并在空气中激发出超声波。另一个用来接收产生机械振动并在空气中激发出超声波。另一个用来接收振动，同时电输出端产生相应的电信号。振动，同时电输出端产生相应的电信号。下一页 传感器内部结构 压电陶瓷片电输入或输出端铝外壳返回返回示波器 返回返回信号发生器函数选择频率范围选择频率微调信号输出开关返回返回四、实验内容及现象2

10、、利用共振驻波法测量声速、利用共振驻波法测量声速3、利用行波法测量声速、利用行波法测量声速4、利用李萨如图法测量声速、利用李萨如图法测量声速1、谐振频率的调整、谐振频率的调整1 1、谐振频率的调整、谐振频率的调整改变信号发生器的频率时，看到改变信号发生器的频率时，看到返回返回2 2、利用共振驻波法测量声速、利用共振驻波法测量声速将换能器的接收端接入示波器的将换能器的接收端接入示波器的CH1通道，当改通道，当改变换能器之间的距离时变换能器之间的距离时返回返回3 3、利用行波法测量声速、利用行波法测量声速返回返回保持刚才的接线，同时将发射波接入保持刚才的接线，同时将发射波接入CH2,选择触选择触发

11、与发射波同步，当改变换能器之间的距离时发与发射波同步，当改变换能器之间的距离时4 4、利用李萨如图法测量声速、利用李萨如图法测量声速返回返回保持刚才的接线，水平显示选择保持刚才的接线，水平显示选择X-Y，当改变当改变换能器之间的距离时换能器之间的距离时五、有关声波研究的应用五、有关声波研究的应用1、声音与我们的生活、声音与我们的生活2、声速测量的目的、声速测量的目的3、声速测量的发展、声速测量的发展1 1、声音与我们的生活、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，播放的悦耳音乐声，飞机掠过长空时扰人

12、的噪声，狂风的呼啸声，海祷狂风的呼啸声，海祷 的怒吼声，爽朗的欢笑声，欢的怒吼声，爽朗的欢笑声，欢畅的交谈声，畅的交谈声，等等，在日常生等等，在日常生 活中处处都可以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。听到。可见声音与我们的生活是密切相关的。人类对声学的研究最早可以追溯到公元前人类对声学的研究最早可以追溯到公元前580年埃及人毕达哥拉斯。年埃及人毕达哥拉斯。而古希腊人亚里士多德接触到而古希腊人亚里士多德接触到声学理论，他持有关于空气的运动性质构成声音的正声学理论，他持有关于空气的运动性质构成声音的正确思想，并且他还知道，如果管的长度加倍，则管内确思想，并且他还知道，如果管的长

13、度加倍，则管内的振动就要花两倍的时间。的振动就要花两倍的时间。下一页今天人们对声音的研究，从语音声学、生理声学、今天人们对声音的研究，从语音声学、生理声学、建筑声学、环境声学、水声学、超声学等等，遍及各个建筑声学、环境声学、水声学、超声学等等，遍及各个领域。领域。牛顿在他的牛顿在他的原理原理中对声速作了理论推导，但实中对声速作了理论推导，但实验的结果与此并不相符，验的结果与此并不相符，牛顿推测了实验值和理论值之间牛顿推测了实验值和理论值之间不一致的原因。但是，真正的解释是在过了一个世纪之后不一致的原因。但是，真正的解释是在过了一个世纪之后由拉普拉斯由拉普拉斯(17491827)(1749182

14、7)做的。做的。牛顿没有考虑到由于压缩牛顿没有考虑到由于压缩变热和稀疏致冷引起的弹性变化。变热和稀疏致冷引起的弹性变化。特别值得一提的是次声波，次声波指的是频率在特别值得一提的是次声波，次声波指的是频率在0.00010.0001赫兹至赫兹至20赫兹之间的波。虽然我们的耳朵听不见赫兹之间的波。虽然我们的耳朵听不见它，它，在我们周围由自然和人工产在我们周围由自然和人工产生的次声波也很多。生的次声波也很多。下一页如火山爆发、地震、流星爆炸、极光、雷电、如火山爆发、地震、流星爆炸、极光、雷电、磁暴、台风、龙卷风、晴空湍流、风暴、海浪、电磁暴、台风、龙卷风、晴空湍流、风暴、海浪、电离层扰动、核爆炸、火箭

15、发射、大炮、化学爆炸、离层扰动、核爆炸、火箭发射、大炮、化学爆炸、飞机、火车、高速行驶中的汽飞机、火车、高速行驶中的汽车、某些大型工厂、车、某些大型工厂、高楼、风吹过高山等等，都会在一定的条件产生次高楼、风吹过高山等等，都会在一定的条件产生次声波。声波。虽然早在上百年前就首次记录到了次声波，虽然早在上百年前就首次记录到了次声波，可是人们次对声的认识却没有多大进展。到近二十可是人们次对声的认识却没有多大进展。到近二十年来，科学技术有了飞跃的发展，年来，科学技术有了飞跃的发展，人们对自然界中人们对自然界中次声现象及次声传播规律的认识才有了较大提高次声现象及次声传播规律的认识才有了较大提高它的应用前

16、景是很广阔的，大致可分为下列它的应用前景是很广阔的，大致可分为下列几个方面：预测自然灾害性事件；通过测定次声波几个方面：预测自然灾害性事件；通过测定次声波受大气其他波动的影响结果受大气其他波动的影响结果；探测气象运动的性质；探测气象运动的性质和规律；生物学以及核爆炸、火箭发射的影响等。和规律；生物学以及核爆炸、火箭发射的影响等。返回返回2 2、声速测量的目的、声速测量的目的声学测量和分析是人们认识声学问题本质的一种声学测量和分析是人们认识声学问题本质的一种手段。通过必要的测量和分析可以对声学有定量概念，手段。通过必要的测量和分析可以对声学有定量概念，从而了解其规律性。从而了解其规律性。声学测量

17、通常是指先用电声声学测量通常是指先用电声(或机电或机电)换能器把声换能器把声波波(或振动或振动)转换成相应的电信号，然后用电子仪表放大转换成相应的电信号，然后用电子仪表放大到一定的电压，再进行测量与分析的技术以及有关声学到一定的电压，再进行测量与分析的技术以及有关声学仪器的工作原理仪器的工作原理 返回返回3、声速测量的发展二十世纪以来，声学测量技术发展很快目前声学二十世纪以来，声学测量技术发展很快目前声学仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动态范围，小的态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响应等。非线性畸变和良好的瞬态响应等。过去，测

18、量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表，过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表，测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了测量时读数的了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了测量时读数的准确度。准确度。由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成电路的发展，人们已能用由微处理机控制的自动测量代替电路的发展，人们已能用由微处理机控制的自动测量代替逐点测量，使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可逐点测量，使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可以用微计算机实时运算

19、。以用微计算机实时运算。下一页以微处理机为中心的测量仪器，不但实现以微处理机为中心的测量仪器，不但实现了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里叶了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里叶换算法从而实现了实时分析。同时也出现了一些换算法从而实现了实时分析。同时也出现了一些新的声学测量和分析方法，例如实时频谱分析，新的声学测量和分析方法，例如实时频谱分析，声强测量，声源鉴别，瞬态信号分析，相关分析声强测量，声源鉴别，瞬态信号分析，相关分析等。等。今后声学测量的任今后声学测量的任务是采用新的测量技术，务是采用新的测量技术，提出新的测量力法，使用自动化数字式仪器，以提出新的测量力法，使用自动化数字式仪

20、器，以提高测量的淮确度和速度。提高测量的淮确度和速度。回顾历史，可以看到，在发展经典声学的过回顾历史，可以看到，在发展经典声学的过程中，许多研究工作是直接用人耳来听声音的。直程中，许多研究工作是直接用人耳来听声音的。直到本世纪，发展了无线电电子学，才使声波的测量到本世纪，发展了无线电电子学，才使声波的测量采用了电声换能器和电子测量仪器。采用了电声换能器和电子测量仪器。下一页高性能的测量传声器、频谱分祈仪和声级记高性能的测量传声器、频谱分祈仪和声级记录器实现了声信号的声压级测量，频谱分析和声情录器实现了声信号的声压级测量，频谱分析和声情号特性的自动记录；从而可以测量各种不同频率、号特性的自动记录；从而可以测量各种不同频率、不同强度和波形的声波，扩展了声不同强度和波形的声波，扩展了声学的研究范围，学的研究范围，促进了近代声学的发展。可以期望，计算技术和大促进了近代声学的发展。可以期望，计算技术和大规模集成电路的发展，微计算机和微处理机在声学规模集成电路的发展，微计算机和微处理机在声学工作中的应用，必将促使近代声学进一步发展工作中的应用，必将促使近代声学进一步发展 谢 谢鲁东大学物理实验示范中心