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声速的测量 物理实验中心 实 验 目 的 1、学会用振幅法何位相法测定空气 中的声速 2、学习数字式函数发生器、示波器 的使用 3、了解声速测量的应用和发展 目 录 一、声速的特点 二、声速的实验原理 三、声速的测量原理 1. 振幅法 2. 相位法 四、实验仪器 五、实验内容及现象 六、有关声波研究的应用和发展 1.声速测量仪 2.传感器 3.示波器 4.信号发生器 一、声速的特点 频率在20～20000Hz的声振动在弹性媒质中所激起的纵波称声波。声波是一种机械波。频率超过20000Hz的声波称为超声波。声波的频率、波长、速度、相位等是声波的重要特性。 声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决于空气本身的性质，因此有 γ-绝热系数，R-摩尔气体常数，μ-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度 下一页 由此可见，气体中的声速 v 和温度 T 有关，还与比热比 γ 及摩尔质量 μ 有关，后两个因素与气体成分有关。因此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。 在标准状态下，0 oC时，声速为 vo＝331.45m／s，显然在 t oC时，干燥空气中声速的理论值应为 由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是不同的 。 返回 二、实验原理 本实验是对超声波波速的测量。测量声速最简单、最有效的方法之一是利用声速v 、振动频率 f 和波长 λ 之间的基本关系，即 v=f λ 测出声振动频率 f 和声波的波长 λ，就可算出声波的波速 v。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。 实验室中常利用，用振幅法、相位法测定波长λ ，由函数发生器或示波器直接读出频率 f。 1. 振幅法 振幅法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射,并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处于波腹。 位移 声压 S1 S2 三、测量原理 返回 2. 相位法 波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同(同相: 相位差为0)或者说其相位差为2π的整数倍时两点间的距离应等于波长λ的整数倍，即 l = n λ (n为一正整数) 利用这个公式可测量波长。 相位法又可分为行波法和李萨如图形法。 下一页 行波法 将发射信号和接收信号同时输入到示波器，此时示波器上同時顯示的發送和接收電信号。当改变两个换能器之间的距离时，发送信号不变，而接收电信号（正弦波）的幅值和位置均发生变化，当接收电信号的位置与发射信号的位置前后两次重合时接收器走过的距离，就是信号的波长。 下一页 李萨如图法 位相法的另一种测量方法是李萨如图法 当两路信号同时输入输入示波器时，荧光屏上 将显示出两个同频率相互垂直的谐振动的叠加 图形—李萨如图 两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长 。 返回 三、实验仪器 本实验使用的仪器主要有：声速测量仪、 函数发生器和示波器。 声速测量仪由：超声压电陶瓷换能器、带有标尺的底座和读数装置构成，用来作声压与电压之间的转换，以及波长的测量。 函数发生器用来产生超声波； 示波器用来观察超声波的振幅、相位和频率。 1.声速测量仪 读数装置 压电陶瓷换能器 标尺 底座 返回 传感器及它的内部结构 传感器是物理实验中常用的间接测量元件。本实验 中使用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来 产生机械振动并在空气中激发出超声波。另一个用来接收 振动，同时电输出端产生相应的电信号。 下一页 传感器内部结构 压电陶瓷片 电输入或输出端 铝外壳 返回 示波器 返回 信号发生器 函数选择 频率范围选择 频率微调 信号输出 开关 返回 四、实验内容及现象 2、利用共振驻波法测量声速 3、利用行波法测量声速 4、利用李萨如图法测量声速 1、谐振频率的调整 1、谐振频率的调整 改变信号发生器的频率时，看到…… 返回 2、利用共振驻波法测量声速 将换能器的接收端接入示波器的CH1通道，当改 变换能器之间的距离时…… 返回 3、利用行波法测量声速 返回 保持刚才的接线，同时将发射波接入CH2, 选择触 发与发射波同步，当改变换能器之间的距离时…… 4