声速测定实验两种方法的误差、不确定度之比较研究.pdfVIP

第六届全国高等学校物理实验教学研讨套论文集(下) 声速测定实验两种方法的误差、不确定度之比较研究 王昆林 (楚雄师范学院物理与电子科学系，云南楚雄675000) 摘要：本文对声速测定的两种实验方法，进行了对比性实验．结合其误差、不确定度 进行了比较分析研究． 关键词：声速测定；比较研究；误差；不确定度 中图分类号：0351 文献标识码：A 1 引言 声波是一种在弹性媒质中传遍的机械波，振动频率在20．20000Hz的声波称为可闻声波， 频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20000Hz的声波称为超声波。声波的波长、频 率、强度、传播速度等是声波的特性。对这些量的测量是声学技术的重要内容。如声速的测 量在声波定位、探伤、测距中有着广泛的应用。具体测量声速的方法有多种，而且对于声速 测量有几种方法在实验室条件下已是十分稳定和成熟的，但对种各种测量方法结合测量仪器 的精度，从误差的分析与及不确定度的范围进行比较性研究是有一定意义的，故笔者特选取 实验室常用测量声速的两种方法——共鸣管驻波可闻声法和超声波振幅极值法进行实验比 较研究。 2 实验原理 测量声速基本原理是利用声速与振动频率f和波长九之间的关系即：1，=以来进行的。 2．1共鸣管驻波可闻声法 设有一从声源发出的一定频率的平 面声波，经过空气的传播，到达其反射 面。入射波即在反射面上垂直反射，入 射波与反射波相干涉形成驻波。反射面 处为驻波的波节，声波的波腹。改变反 3 射面与声源之间的距离L，在一系列特 rⅢ●一 定的距离上，介质中出现稳定的共振现 象，此时L等于半波长的整数倍，驻波 的波腹达到最大。在移动接收器的过程 T．．1删．．。1．I 中，相邻两次到达共振所对应的接收面 之间的距离为半波长。因此保持频率f 不变，通过测量两次相邻的接收信号达 到极大值时反射面之间的距离Lt2，就可 以用v：牡计算声速。 如图10—l所示，共鸣管是一直立的刻有精度为1．Omm的透明玻璃管，。移动蓄水筒可 以使管中的水位升降，从而获得一定长度的空气柱。声波沿空气柱传播至水面发生反射，入 作者筒介： 昆林(1957-)，男，云南楚雄师范学院物电系教授，长期从事物理教学和相关科 研工作．E-mail：wkll01@extc．edu．crl —一62-一 第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集(下) 射波与反射波在空气柱中干涉，调节空气柱的长度工，当其与波长A满足 (聍21…2．．) (1--1) 厶=(2刀+1)孚 斗 此时将形成管口为波腹、水面为波节的驻波，声音最响，即产生共鸣。 设相邻两次共鸣空气柱的长度差为△三，则 工 AL=厶+I一厶=三 二 而 2=2AL (1—2) 若声波频率(即声源频率)固定为．f则由v=xf,便可求出声波在空气中的传播速度y 2．2超声波振幅极值法 见图10—2，由信号发生器发出的电信号经换能发射器S2转换为平面超声波经空气介 质传到换能接收器Sl，再由换能接收器转换为电信号通过示波器显示出来。按照波动理论 若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，于是平面声波在两端面间来回反 射并叠加。当接收端面与发射端面间的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加后的波就形成 驻波。此时相邻两波节(或波腹)间的距离等于半个波长即入／