用共振干涉法测声速普通物理试验.PPT

驻波法 相位法 数据记录 * 徐 朋 声波是一种在弹性介质中传播的机械波，声波的测量在定位、探伤、测距等应用中具有十分重要的意义。 一般使用的声波是超声波，超声波具有较高频率，可以定向传播。 本实验测量超声波在空气中传播的速度。 可闻声波频率： 20HZ ~ 20KHZ 次声波、可闻声波、超声波 一、实验目的 1、学习测量空气中声速的原理和方法 2、学习一种非电量的电测法 3、练习用逐差法处理数据 4、进一步熟悉示波器的使用 二、实验仪器 低频信号发生器、声速测定仪、示波器 低频信号发生器 或 综合声速测定仪信号源 提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率 主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺 声速测定仪 声速测定仪 声速测定仪主要由两只相同的压电陶瓷换能器A和B组成， 压电陶瓷换能器是将声波和电信号相互转换的装置。 将A作为超声源，与低频信号发生器相连接，电能→声能，即 从发射头的平面端产生的声波在空气中形成平面纵波； 将B作为反射面，亦即接收端，声能→电能，接收端与示波器相连， 就可对接收端的声压信号进行观测。 A和B间的距离可调，通过仪器上的游标卡尺或数字读数器测定。 示波器 示波器x,y轴输入各接一个换能器，示波器上显示出李萨如图形 三、实验原理 超声波在空气中传播，传播速度ν、频率f、波长λ间有 ν＝fλ 超声波频率为声源振动频率，可从低频信号发生器所发生的正弦波的频率显示数据读出。 声波的波长测量，是本实验的主要任务， 可采用共振干涉法（驻波法）和相位法。 1、共振干涉法——驻波法 驻波：具有相同频率、相同振幅和相同振动方向的两列波在同一直线上沿相反方向传播时叠加形成的波。 驻波的波腹、波节。相邻两波节或两波腹间的距离就是半个波长。 S1 S2 波节 波腹 λ/2 图中S1和S2之间的距离为 nλ/2 时（ n为正整数 ）才能形成驻波。 图1驻波法测声速实验装置图 形成驻波后的反射面处(x=l)，空气质点的位移恒为零，此处的声压恒为波腹，声压振幅为 当声波与反射面之间的距离l改变时，反射面处的声压振幅也随之改变，其数值在极大值与极小值间周期变化，满足 反射处声压振幅的大小可通过示波器观测到， 随l周期性变化可以从示波器上观察，从而可以求出半波长λ/2。 图2声压变化与接收器位置的关系 当发生器的激励频率等于驻波系统的固有频率（本实验中的压电陶瓷的固有频率）时，会产生驻波共振 。 驻波共振的调节？ 2、相位法 李萨如图形：由两个相互垂直的简谐振动叠加形成。 相位法是指比较声源处的声压p(0)与反射处的声压p(l)的位相来测定声速的方法。 p(l)的位相总比p(0)的位相落后kl，分别将声源和反射处的声信号转换成电压信号后接到示波器的x轴和y轴上去，可以看到李萨如图形。 实验中由于输入示波器的是频率严格一致的两个信号，因此李萨如图形一般是稳定的椭圆。当相位差为0或π时，椭圆变为倾斜的直线。测量时选择判断比较灵敏的直线形进行测量。以某一个直线位置作为测量的起点，相位差每变化π即距离变化半个波长时，李萨如图形从斜率为正（负）的直线变为负（正）的直线。 图3 相位法测声速装置示意图 图4 李萨如图形及其相位差 声波在弹性介质中传播的速度不仅由介质的物理性质决定，而且还与温度有密切关系。声波在理想气体中的传播速度为： 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 在标准状态下，0oC时，声速为vo＝331.45m／s，显然在toC时，干燥空气中声速的理论值应为 由上式可计算出任一温度t时，声波在理想气体中的传播速度。 四、实验内容 （一）用共振干涉法测声速 1、按图示接好线路 2、调节两换能器端面平行且铅直，然后锁定（略）。 3、调节谐振频率 调节两换能器间有适当距离，改变信号发生器的频率（20-40KHZ），略微改变发射端位置，使示波器上出现最大振幅，换能器工作在谐振状态，信号源所显示的频率即换能器的谐振频率f。在此谐振频率f下测波长，可以提高测量灵敏度。 4、改变发射头与接收头之间的距离，由近而远，观察示波器 可看到示波器上显示的信号幅度发生周期变化，即由一个极大到极小，再变到极大，依次确定好幅度极大值所对应的发射头各位置li，并依次记下读数l1、l2、…… l12，由于声波在空气中衰减较大，随着发射头远离接收头，振幅会越来越小，如图所示。 *