实验报告——声速的测量.pdf

声速测量

一、【实验名称】声速的测量

二、【实验目的】

1.了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解。

2.学会测量空气中的声速。

3.了解声波在空气中的传播速度与气体状态参量之间的关系。

4.学会用逐差法处理实验数据。

三、【实验仪器】

示波器、信号发生器和声速仪

四、【实验原理】

由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v＝λf，只要

知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换

能器，信号发生器的输出频率就是声波频率。剩下的就是测量声速的

波长，这就是本实验的主要任务。

下面介绍两种常用的实验室测量空气中声波波长的方法。

1.相位比较法

实验接线如上图所示。波是振动状态的传播，也可以说是相位的

传播。在声波传播方向上，所有质点的振动相位逐一落后，各点的振

动相位又随时间变化。声波波源和接收点存在着相位差，而这相位差

则可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦

交变电压信号的相位关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观

察。示波器相位差φ和角频率ω、传播时间t之间有如下关系：φ=ω·t

ω=2π/Tt=l/vλ=Tv

代入上式得：φ=2πl/λ

当l=nλ/2(n=1,2,3,……）时，可得Φ=nπ

由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接

收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即Φ＝2π）。

实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。

当相位差改变π时，相应距离l的改变量即为半个波长。

2.驻波法

如上图

所示，实验时将信号发生器输出的正弦电压信号接到发射超声换能器

上，超声发射换能器通过电声转换，将电压信号变为超声波，以超声

波形式发射出去。接收换能器通过声电转换，将声波信号变为电压信

号后，送入示波器观察。由声波传播理论可知，从发射换能器发出一

定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收换能器。如果接收面和

发射面严格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波相

互干涉形成驻波。此时，两换能器之间的距离恰好等于其声波半波长

的整数倍。在声驻波中，波腹处声压（空气中由于声扰动而引起的超

出静态大气压强的那部分压强）最小，而波节处声压最大。当接收换

能器的反射界面处为波节时，声压效应最大，经接收器转换成电信号

后从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值，所以可从接收换能

器端面声压的变化来判断超声波驻波是否形成。

移动卡尺游标，改变两只换能器端面的距离，在一系列特定的距

离上，媒质中将出现稳定的驻波共振现象，此时，两换能器间的距离

等于半波长的整数倍，只要我们监测接收换能器输出电压幅度的变化，

记录下相邻两次出现最大电压数值时（即接收器位于波节处）卡尺的

读数（两读数之差的绝对值等于半波长），即可求出波长大小。

五、【实验内容】

1.调整仪器使系统处于最佳工作状态。

2．用驻波法（共振干涉法）测波长和声速。

3．用相位比较法测波长和声速。

注意事项

1．确保换能器S和S端面的平行。

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2．信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率f保持一致。

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六、【实验结果】

（一）利用相位法计算声速

1.选择合适的超声波频率

信号发生器输出信号的频率（HZ）：36500.0

2.填写测量数据

缓慢的移动增加移动尺间距，依次记录下屏上每次出现直线时所

对应的Xn的值，测量10次；然后再缓慢的移动减小移动尺间距，依

次记录下屏上每次出现直线时所对应的Xn的值，同样测量10次；

计算两次测量同一直线位置的平均值AVGXn，记录数据：

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