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大学物理实验超声波速测量实验报告

一实验目的

了解超声波的物理特性及其产生机制；

学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据；

测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数；

并运用超声波检测声场分布。

学习超声波产生和接收原理，

学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。

观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射二实验条件

HLD-SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪

三实验原理

1、超声波的有关物理知识

声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次声波（f＜20Hz）、声波（20Hz≤f≤20kHz）、超声波（f20kHz）和特超声波（f≥10MHz），如下图。

声波频谱分布图振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波：

横波：质点振动方向和传播方向垂直的波，它只能在固体中传播。

纵波：质点振动方向和传播方向一致的波，它能在固体、液体、气体中的传播。

表面波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，介质表面的质点做椭圆的振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。

板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，可分为SH波与兰姆波。

超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特的特点：绕射现象小，方向性好，能定向传播；能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远，而且在液体里的衰减和吸收是比较低的；能在异质界面产生反射、折射和波形转换。

2、理想气体中的声速值

声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为

rRT?V?

rRT

?

式中R为气体普适常量(R=8.314J/(mol.k))，?是气体的绝热指数(气体比定压热容与比

定容热容之比)，?为分子量，T 为气体的热力学温度，若以摄氏温度t计算，则：T?T ?t

0

T ?273.15K

0

代入式(1)得，

1?tT0V? rR(T ?t)＝rRT ? 1?t

1?

t

T

0

(2)

? 0 ? 0 T 0

0

对于空气介质，0℃时的声速V

0

=331.45

m/s。若同时考虑到空气中的蒸汽的影响，

校准后声速公式为：

V?331.45 (1?

t)(1?

T

0

0.319p

p

w)m/s (3)

式中p

w

为蒸汽的分压强，p为大气压强。

3、共振干涉法

设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器，如果接收面与发射面严格平行，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，反射面处为位移的波节。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，媒质中出

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。不难看出，在移动接收器的过程中，相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此，若保持频率v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(?/2)，就可以用V?v?计算声速。

声压变化与接收器位置的关系：

4、相位比较法

发射波通过传声媒质到达接收器，所以在同一时刻，发射处的波与接收处的波的相位不同，其相位差?可利用示波器的李萨如图形来观察。? 和角频率?、传播时间t之间有

如下关系：

???t

同时有：

??2?/T,t?

l

,??TV

V

（式中T为周期），代入上式可求得声速V。

?的确定用如下方法：根据

??2?l/?

当l?n?/2(n?1,2,3,...)时，得??n?。

实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，可观察到相位的变化。而当相位差改变

?时，相应的距离l 的改变量即为半个波长。为精确测定波长的值，在实际的操作中要连

续测多个相位改变?的点的坐标，再用逐差法算出波长?的值，根据波长和频率值可求出声速。

行波法相位差图：

5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射

由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速；并研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。

6、声波的干涉和衍射

双缝干涉实验装置如图1所示。对于不同的?角，如果从双缝到接收器的程差是零或波长的整数倍，就会产生相长干涉，因而观察到干涉强度的极大值；当程差是半波长的奇数

倍