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声速的测量
在弹性介质中，频率从20Hz到20kHz的振动所激起的机械波称为声波，高于20kHz，称为超声波，超声波的频率范围在2×104Hz-5×108Hz之间。超声波的传播速度，就是声波的传播速度。超声波具有波长短，易于定向发射等优点，在超声波段进行声速测量比较方便。
超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度，它是非电量电测方法的一个例子。
一、实验目的
1．了解超声波的产生、发射和接收方法；
2．用干涉法和相位法测量介质中的声速；
3．复习用逐差法进行数据处理，复习示波器的使用，熟悉振动合成。
二、实验原理
频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。
根据声波各参量之间的关系可知,其中为波速,λ为波长,为频率。

图1共振法测量声速实验装置
在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率求声速。声波的频率可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。

图2相位比较法测量声速实验装置
1.共振干涉(驻波)法测声速
由声源S1发出的声波（频率为），经介质（空气）传播到S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。反射面处是位移的波节，声压的波腹。改变接收器与发射源之间的距离L，在一系列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波共振现象。此时L等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。通过压电转换，产生的电信号的电压值也最大（示波器显示波形的幅值最大）。因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离ΔL，即可得到该波的波长λ（λ=2Δx），并用计算出声速。
2.相位比较法
实验装置接线如图2所示，置示波器功能于X－Y方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动方程为：

在发射波和接收波之间产生相位差：

见图3，随着振动的相位差从0～的变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线，测得了波长和频率，根据式即可计算出声音传播的速度。改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L不断变化。显然，当S1、S2之间距离改变半个波长，则＝。

(a)(b)(c)(d)(e)
图3合成振动

三、实验仪器
SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等。
压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。
压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力时，在极化方向上产生一定的电场强度且具有线性关系：,即力→电，称为正压电效应；当与极化方向一致的外加电压加在压电材料上时，材料的伸缩形变与之间有简单的线性关系：

即电→力，称为逆压电效应。其中为比例系数，为压电常数，与材料的性质有关。由于与，与之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源。即压电换能器可以把电能转换为声能作为超声波发生器，反过来也可以使声压变化转化为电压变化，即用压电陶瓷片作为声频信号接收器。因此，压电换能器可以把电能转换为声能作为声波发生器，也可把声能转换为电能作为声波接收器之用。
压电陶瓷换能器根据它的工作方式，可分为纵向(振动)换能器、径向(振动)换能器及弯曲振动换能器。图4所示为纵向换能器的结构简图。

图4纵向换能器的结构
四、实验内容
1.调整仪器时系统处于最佳工作状态
1）调节S1、S2使两端面平行。
2）调节谐振频率。
只有当换能器S1和S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到发射换能器S1谐振频率点处，才能较好地进行声能与电能的相互转换，提高测量精度，以得到较好的实验效果。
2.驻波法（