【2017年整理】实验4.2测量超声波在空气中的传播速度.doc

测量超声波在空气中的传播速度 【实验简介】 声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。声波的振动频率在20Hz～20KHz和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系： ( 4.2.1 ) 测出声波波长和声源的振动频率就可以由式（4.2.1）求出声波的传播速度。声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。 1.1 驻波法测声速 驻波法就是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波进行测量的。 由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。改变声源和刚性反射面之间的距离，驻波场中各质点振动的振幅也在发生变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足 （4.2.2） 时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x，在满足式（4.2.2）的位置上可以观察到驻波共振状态。由式（4.2.2）可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离为，即 ( 4.2.3) 只要测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离，就可以求出声波的波长，从而由式( 4.2.1 )计算出声速。这种测量声速的方法又称为驻波共振法。 实验中，通过用示波器观测反射端处的振动状态来判断质点是否处于驻波共振状态。 1.2 相位法测声速 相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来进行测量的。 由声源发出的声波在沿其传播方向上，相位差为的两质点之间的距离为半个波长，因此，只要测出相位差为的两质点之间的距离，就可由 ( 4.2.4) 计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。 实验中保持声源的位置不变，改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的相位差，记下相位差每变化时反射面的位置，求出相位差变化时反射面位置的变化。 示波器测两信号的相位差有两种方法：双踪示波法和李萨如图形法，本实验用李萨如图形测两点的相位差。将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上，在示波器上观察到的李萨如图形是一椭圆，当改变反射面的位置时，两信号的相位差发生变化，李萨如图形由椭圆→直线→椭圆→直线发生周期性变化，如图4.2.1所示，其中相邻两次出现直线时反射面位置的变化就是相位差为时两质点的距离。 2. 声波的发射和接收－ 图4.2.2 图4.2.3 【实验内容与步骤】 1. 驻波法测声速 1.1 将信号发生器输出的正弦波信号加在声速测试仪的发射端，声速测试仪的接收端与示波器相连（y1通道）。如图4.2.5所示。 图4.2.5 1.2 转动距离调节手把，使声速测试仪的发射端和接收端的两个端面相距为1cm左右，并使两个端面保持平行。调节信号发生器的频率（换能器的谐振频率为40KHz左右），观察示波器上波形幅度的变化，当接收到的信号幅度最大时，记录信号发生器的频率f（f为共振频率），并在实验中保持f不变。 1.3 缓慢转动距离调节手把，使声速测试仪的接收端远离发射端，观察示波器上图形的变化。当示波器上波形幅度最大时，记录声速测试仪接收端的位置读数。转动手把连续读取10个波形幅度最大时测试仪接收端的位置读数。相邻读数的差值即为λ/2 。 1.4 用逐差法求波长，将f和代入( 4.2.1 )式求出声波的速度。 2. 相位法测声速 2.1 在驻波法测声速的连线基础上，将信号发生器输出端再引出一根线接入示波器的 Y 端口（y2通道），将示波器的“扫描频率”旋钮旋至“x－y”λ/2。 2.3 用逐差法求波长，由（4.2.1）式计算声速，并计算其不确定度。 【注意事项】 1.每台声速测试仪的谐振频率不同，实验时要注意仪器所标示数，找出自己使用的仪器的谐振频率，并按实验要求微调出最佳值。 2. 注意消除螺距差。 3. 实验时要减少振动和手接触仪器的面积，以减少干扰。 【思考题】 1. 声波的传播速度与温度等条件有关，当空气的温度变化时，声速将怎样变化？ 2. 本实验选取超声频段，以