声速的测定.docx

声速的测定
一、实验目的
1．用共振干涉比较法和相位比较法及时差法测定超声波在空气中的传播速度
2．了解压电陶瓷换能器的功能
3．培养总和运用仪器的能力
二．仪器
示波器声速测定信号源声速测定组合仪
三．实验原理
（一）共振干涉法
实验装置如图所示

图6-1
（用干涉法测量时xy只需解一个即可）
实验装置如图6-1所示，图中s1和s2为压电陶瓷超声换能器，s1作为超声源（发射头），信号源发出的正弦电压信号接到换能器s1后，即能发出一平面声波。s2作为超声波的接收头，接收的声压转换成电信号后输入示波器观察，s2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样，由s1发出的超声波和由s2反射的超声波在s1、s2之间的区域干涉而形成驻波。改变s1、s2之间的距离，在一系列特定的位置上，接收面s2上的声压达到极大值，可以证明，相邻两极大值之间的距离为半波长。为了测出驻波相邻波腹或相邻波节之间的半波长距离，可改变s1和s2之间的距离，此时，可以看到示波器上显示的信号幅度发生周期性的大小变化，即由一个极大变到极小，再变到极大，而幅度每一次周期性的变化，就相当于s1、s2之间的距离改变了。s1、s2之间距离的改变由游标尺测得。由信号源可读出超声源的频率f，这样就可计算出声速v。

2．相位比较法
实验装置如图6-2所示。

图6-2
从s1发出的超声波通过媒质达到接收头s2，在发射波和接收波之间产生相位差，此相位差φ和角频率ω（ω=2πf）、传播时间τ、声速v、距离l、波长λ之间有下列关系：
（6-2）
由上式可知，若要使相位差φ改变2π，那么，s1和s2的间距l就要相应地改变一个波长λ。于是，根据相位差的2π变化，便可以测量出波长来。声波频率由信号源读出，根据式（6-1）便可算出声速。

（）
图6-3用李萨如图形观测相位的变化

我们可以通过示波器来观察相位差。互相垂直的两个谐振动的叠加，能得到李萨如图形。如果两个谐振动的频率相同，则李萨如图形就很简单。随着两个振动的相位差从0→π变化，图形从斜率为正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。选择判断比较灵敏的亦即李萨如图形为直线的位置作为测量的起点。每移动一个波长的距离就会重复出现同样斜率的直线。见图6-3。
3．时差法
实验装置图同图6-2，但在信号发生源上的波应该选择脉冲波
时差法测试声速的基本原理是基于速度v=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间，从而计算出声波的传播速度。
连续波由控制电路调制后定时发出一个声脉冲，由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。接收到的信号经放大、滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出声波在某一介质中的传播速度。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响可以忽略不计，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。
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。

图6-4发射波与接收波
四．实验步骤
（一）共振干涉法
1．按图连接好实验装置
2.打开电源开关预热15分钟，仪器自动工作在连续波方式。选择的介质为空气的初始状态。
3．根据要求初步调整好示波器
4.在两换能器s1和s2的发射面保持平行的前提下，调节s1和s2相距为1～2cm左右。调节“信号频率”旋钮，使信号频率在25～45kHz之间。然后细调信号频率，同时观测示波器上显示的接收波的电压幅度变化。在信号源频率接近实验室提供的换能器谐振频率处（34.5～37.5kHz之间），电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此时频率即为与压电换能器s1、s2相匹配的谐振频率，记录该频率FN（超声波频率），转动摇手鼓轮，改变s1和s2间的距离，适当选择位置，重新用上述方法调整频率，再次测定谐振频率FN，测量5次，取其平均值f为超声波的频率
5.转动摇手鼓轮，由近及远地改变换能器s1到s2的间距，同时监测示波器的接收信号，记下第1，2，3，…，20个出现正弦波电压幅度最大的特定位置l1，l2，l3，…，l20。注意利用游标尺的刻度准确地确定这些l值。（转动摇手鼓轮时注意连续向一个方向转动）。注意测试过程中保持换能器s1和s2表面相互的平行。用逐差法计算出λ值。
6．记录室温，声波波速理论值
v理=v0·TT0T=273.15+t室温
v0为在T0=273.15K时的声速空气中v0=331.30ms
7．计算波速V的相对误差
五、实验数据记录及处理：
室温t=（26）℃
媒介种类：空气v0=331.3ms
频率f=34.727ＫＨｚ
v理=v0·TT0=（346.71）