1、北京科技大学天津学院北京科技大学天津学院物理实验室物理实验室声速的测量声速的测量前言前言声速即声波的传播速度,声波是在弹性媒质中传播的一种纵波.包括可闻声波、次声波、超声波。 可闻声波是 f20Hz 次声波 20Hzf20KHz 超声波超声波波长短，易于定向发射在实际生活中有广泛的应用： （一）工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等 （二）生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等 （三）诊断学方面的应用：A型、B型、M型、D型、双功及彩超等 （四）治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等 本实验主要测量超声波在空气中的传播速度1了解声速测量的基本原理。2学会两种
2、测量声速的方法。3掌握用逐差法处理数据。设计思路：1.产生一种声波2.测出f3.测量4.计算声速 f装置装置: :当压电陶瓷片两端外加当压电陶瓷片两端外加电压电压时，陶瓷时，陶瓷 片将产生伸缩形变，产生片将产生伸缩形变，产生超声波超声波 正压电效应正压电效应:当压电陶瓷片两端受到当压电陶瓷片两端受到应力应力作用时，作用时， 两端面间将产生两端面间将产生电场强度电场强度，可，可 以加以测量。以加以测量。超声波产生和接收超声波产生和接收压电效应压电效应2.S2.S2 2声波信号声波信号 压电陶瓷片压电陶瓷片 电信号电信号 示波器示波器超声波产生和接收超声波产生和接收S1S2LX信号发生器示波器游标
3、卡尺A发出施加产生施加产生测量f 压电陶瓷晶片的振荡频率约为压电陶瓷晶片的振荡频率约为40KHz,40KHz,为了为了能得到较清晰的接收波形，应将能得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信外加的驱动信号频率号频率调节到换能器调节到换能器1 1、2 2的振荡频率的振荡频率40KHz40KHz左右左右，传感器发生，传感器发生共振共振时，才能较好地进行声时，才能较好地进行声能与电能的相互转换，能与电能的相互转换，S S2 2才会有一定幅度的电才会有一定幅度的电信号输出，才能有较好的实验结果。信号输出，才能有较好的实验结果。 调节方法：调节方法：调节信号发生器的频率为调节信号发生器的频率为39KHz39
4、KHz，在在十位上十位上微调信号发生器频率，使示波器上出微调信号发生器频率，使示波器上出现正弦波形，微调频率现正弦波形，微调频率个位个位使正弦波使正弦波波幅最大波幅最大，记下频率值记下频率值f f，即为声速测量仪的，即为声速测量仪的工作频率。工作频率。测量1.驻波法2.行波法1.驻波法（共振干涉法）：驻波法（共振干涉法）：S1S2xX信 号 发生器示 波器游标卡尺A)2cos(1xtAy)2cos(2xtAytxAyyycos)2cos(2211)2cos(x.)2 , 1 , 0(2kkx 波节波节的位置为：的位置为： 可见，相邻两波幅和波节之间的距离都为：相邻两波幅和波节之间的距离都为：
5、/2即：即： 的各点即的各点,.)2 , 1 , 0(4) 12(0)2cos(kkxx2x驻波法原理总结 当两个换能器之间的距离等于半波长的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，波整数倍时发生共振，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，则声压是处于波腹。位移处于波节时，则声压是处于波腹。 实验中，当发生实验中，当发生共振共振时，接收器接收到的声压时，接收器接收到的声压最大，经接收器转换成的最大，经接收器转换成的电信号也最强电信号也最强。当接。当接收器端面移动到某个共振位置时如果示波器上收
6、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，在共出现了最强的电信号，继续移动接收器，在共振位置将振位置将再次出现最强再次出现最强的电信号，则两次共振的电信号，则两次共振位置之间的距离位置之间的距离x为为/2。 只要我们测出只要我们测出x的值就可以求出的值就可以求出根据驻波方程根据驻波方程:)12(222kxS1S2xX Y信 号 发生器示 波器游标卡尺A2.行波法（相位比较法或李萨如图形行波法（相位比较法或李萨如图形法）：法）：x2121222xx），（.210k2211kx2xtxAyyycos)2cos(221x，计算，计算04243声速测定仪传感器及它的内部
7、结构数字示波器1cm信号发生器微调输出端功能键信号发生器信号发生器1.驻波法驻波法 按右图连线。按右图连线。 调节接收器和发声器之间的距离为调节接收器和发声器之间的距离为80mm，打开电源开关，打开电源开关。 复位示波器（复位示波器（SAVEF1），调节扫描速率为），调节扫描速率为10us/cm，CH1Y轴灵敏度轴灵敏度5mv/cm，电平方式改成电平方式改成“自动电平自动电平”（MENU3次次F3） 调节信号发生器的频率为调节信号发生器的频率为39KHz，在，在十位上十位上微调信号发生微调信号发生器频率，使示波器上出现正弦波形，微调频率器频率，使示波器上出现正弦波形，微调频率个位个位使正弦使正
8、弦波波波幅最大波幅最大，记下频率值，记下频率值f，即为声速测量仪的，即为声速测量仪的工作频率工作频率。 转动鼓轮，转动鼓轮，增大增大改变接收器和发声器之间的改变接收器和发声器之间的距离距离，观察波，观察波形的变化。当形的变化。当波幅最大波幅最大时，记下对应的位置时，记下对应的位置X1的坐标，然的坐标，然后再同向转动鼓轮，依次测出后再同向转动鼓轮，依次测出X2，X3和和X4，记录在表，记录在表1内。内。 再倒转回再倒转回X1坐标以下，重复测量坐标以下，重复测量5遍。遍。注意：注意：5次测量必须在同一位置，测量时鼓轮必须次测量必须在同一位置，测量时鼓轮必须同方向同方向旋转。旋转。S1S2LCH1信
9、号发生器示波器游标卡尺A2.行波法行波法 按右图连线。按右图连线。 调节接收器和发声器之间的距离为调节接收器和发声器之间的距离为100mm，信号发生器的频信号发生器的频率与率与驻波法驻波法测量时的测量时的保持一致保持一致。 电平方式改成电平方式改成“自动电平自动电平”，选择选择双路双路显示，扫描速率为显示，扫描速率为10us/cm，CH1Y轴灵敏度轴灵敏度5mv/cm，CH2轴灵敏度轴灵敏度200mv/cm，出现正弦波出现正弦波。 让示波器工作在让示波器工作在XY模式下（模式下（HORI MENUF5），出现李），出现李萨如图形。萨如图形。 转动鼓轮，增大接收器和发声器之间的距离，观察李萨如图
10、转动鼓轮，增大接收器和发声器之间的距离，观察李萨如图形的变化。当图形变成形的变化。当图形变成直线直线时，记下对应的位置时，记下对应的位置X1的坐标，的坐标，然后再然后再同向转动同向转动鼓轮，图形鼓轮，图形再次变成直线（此时方位改变再次变成直线（此时方位改变），），记下对应的位置记下对应的位置X2的坐标，依次测出的坐标，依次测出X3和和X4，记录在表，记录在表2内。内。 再再倒转倒转回回X1坐标一下，重复测量坐标一下，重复测量5遍。遍。注意：注意：5次测量必须在同一位置，测量时鼓轮必须同方向旋转。次测量必须在同一位置，测量时鼓轮必须同方向旋转。S1S2LCH1 CH2信 号 发 生器示波器游标卡
11、尺A 位置次数X1（mm）X2（mm）X3（mm）X4（mm）12345平均值Xi表表1 驻波法声速测量记录表格驻波法声速测量记录表格 传播介质： 温度T工作频率fHz 位置次数X1（mm）X2（mm）X3（mm）X4（mm）12345平均值Xi表表2 行波法声速测量记录表格行波法声速测量记录表格 传播介质： 温度T工作频率fHz1 1、根据温度、根据温度T T计算空气中声速的理论值计算空气中声速的理论值空气：c0=331.3(1+0.00183T)= m/s2 2、驻波法数据处理、驻波法数据处理(1)逐差法求波长(2)c=f= m/s(3)误差及百分差3 3、行波法数据处理（同驻波法）、行波法数据处理（同驻波法） mxxxx_21324HzfUf04. 0仪mU6104仪_22UfUcUfcsmUcc/_%10000cccEsmcUcUcc/_1.测量过程中为什么鼓轮必须同方向连续旋测量过程中为什么鼓轮必须同方向连续旋转？转？2.比较驻波法和行波法之间的不同。比较驻波法和行波法之间的不同。
