声速的测定演示课件.ppt

声速的测定 声波是在弹性媒质中传播的一种机械波、纵波，其在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。 通过媒质中声速的测量，可以了解被测媒质的特性或状态变化，因而声速测量有非常广泛的应用，如无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等。 实验目的 1.学习测量超声波在空气中的传播速度的方法。 2.加深对驻波和振动合成等理论知识的理解。 3.了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。 实验原理 由波动理论可知，声速、声源的振动频率和声波波长间的关系为 v = fλ 如果声波在媒质中 t 时间内传播的距离为 L，则声速为 v = L/t 声速的大小与声波的频率无关，仅决定于媒质的性质，温度是影响空气中声速的主要因素。在温度为t℃时，干燥空气的声速为 由于空气实际上并不是干燥的，总含有一些水蒸汽，经过对空气摩尔质量和比热比的修正，在温度为t0C、相对湿度为r的空气中，声速为 Ps为t＝0°C时空气的饱和蒸汽压 实验装置 声速测试仪 实验方法 振幅极值法（共振干涉法） 由声源发出的平面波经前方垂直于x轴的刚性平面反射后，反射波与入射波发生干涉而形成驻波，即两列反向传播的同频率行波的叠加，设两列行波为：（复数表示） 边界条件为 于是 解出待定常数A和B，就得驻波的表达式（取实部后） 对于某一确定的l，满足sin[k(l-x)]=1处，振幅最大，波腹 满足sin[k(l-x)]=0处，振幅最小，波节 实验方法 在驻波场中，空气质点位移的图像不能直接观察到，而声压却可以通过仪器加以观测。 声压实空气中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的部分 声压驻波可以表示为 将空气质点的位移驻波表达式与声压驻波表达式加以比较，可以知道：在声场中空气质点位移为波腹的地方，声压为波节；而空气质点位移为波节的地方，声压为波腹。 在作为反射面的刚性平面处，空气质点的位移恒为零，声压恒为波腹，其振幅为 实验方法 当l改变时，刚性平面处声压振幅也改变，且 根据p(l)随l周期变化的原理，可求出半波长 按实验原理图将仪器接好，调整信号发生器的频率f 使激发换能器处于谐振状态。 调整激发换能器和接收换能器平面的距离l，使得两换能器平面之间的空气形成驻波，示波器产生共振现象，记录示波器所显示的信号幅度连续20个极大值，采用逐差法处理数据。 实验方法 相位比较法 同时将信号源发射端接入示波器的X轴、反射端接入示波器的Y轴，示波器采用X-Y扫描、这时示波器将显示一椭圆或直线。 当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大小会随发射－接收的距离l发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。 利用李萨如图形找出同相（Φ=0）或反相（Φ=?）时椭圆退化为右斜或左斜直线，调整接收器的位置，注意屏幕上出现的椭圆相位（例如Φ=0或Φ=?），继续移动接收换能器、直到椭圆或直线的相位完全重复上述椭圆或直线的相位、这时所移动距离恰好为一个波长，为使测量值更加准确，可多移动几个波长。采用逐差法处理数据。 实验方法 时差法 缓慢移动接收端S2，同时观察时间显示窗口，当时间读数增加10μs时，由数显表头读数记录S1所在位置x1，（10μs内声波在空气中传播的距离）。依次移动S1，观察时间显示窗口，每增加10μs时，由数显表头读数记录x2、x3、…x20。采用逐差法处理数据。 实验数据处理 数据记录表格（参考） 振幅极值法 极大值 位置 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 极大值 位置 x11 x12 x13 x14 x15 x16 x17 x18 x19 x20 10倍半波长 注意事项 1.测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，以避免空程误差。 2.电源接通时，两超声换能器不得接触。 3.计算空气中声速的百分偏差时，空气中声速理论值由温度压强等计算。 .