聲速的測定課件

1、聲速的測定聲速的測量物理實驗中心聲速的測定實實 驗驗 目目 的的 1、學(xué)會用振幅法何位相法測定空氣、學(xué)會用振幅法何位相法測定空氣 中的聲速中的聲速2、學(xué)習(xí)數(shù)字式函數(shù)發(fā)生器、示波器、學(xué)習(xí)數(shù)字式函數(shù)發(fā)生器、示波器 的使用的使用3、了解聲速測量的應(yīng)用和發(fā)展、了解聲速測量的應(yīng)用和發(fā)展 聲速的測定目 錄一、聲速的特點一、聲速的特點二、聲速的實驗原理二、聲速的實驗原理三、聲速的測量原理三、聲速的測量原理1. 1. 振幅法振幅法 2. 2. 相位法相位法 聲速的測定四、實驗儀器四、實驗儀器五、實驗內(nèi)容及現(xiàn)象五、實驗內(nèi)容及現(xiàn)象六、有關(guān)聲波研究的應(yīng)用和發(fā)展六、有關(guān)聲波研究的應(yīng)用和發(fā)展1. 1.聲速測量儀聲速測量

2、儀2.2.傳感器傳感器3.3.示波器示波器4.4.信號發(fā)生器信號發(fā)生器聲速的測定一、聲速的特點 頻率在頻率在2020000Hz的聲振動在彈性媒質(zhì)中所的聲振動在彈性媒質(zhì)中所激起的縱波稱聲波。聲波是一種機械波。頻率超過激起的縱波稱聲波。聲波是一種機械波。頻率超過20000Hz的聲波稱為超聲波。聲波的頻率、波長、速的聲波稱為超聲波。聲波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。度、相位等是聲波的重要特性。 RTv 聲波在空氣中的傳播速度與聲波的頻率無關(guān)，只聲波在空氣中的傳播速度與聲波的頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)，因此有取決于空氣本身的性質(zhì)，因此有-絕熱系數(shù)，絕熱系數(shù)，R-摩爾氣體常數(shù)，摩爾氣

3、體常數(shù)，-空氣分子的摩爾質(zhì)空氣分子的摩爾質(zhì)量，量，T-絕對溫度絕對溫度下一頁聲速的測定15.273t15.27345.331tv 由此可見，氣體中的聲速由此可見，氣體中的聲速 v 和溫度和溫度 T 有關(guān)，還與比熱有關(guān)，還與比熱比比 及摩爾質(zhì)量及摩爾質(zhì)量 有關(guān)，后兩個因素與氣體成分有關(guān)。因有關(guān)，后兩個因素與氣體成分有關(guān)。因此，根據(jù)測定出的聲速還可以推算出氣體的一些參量。此，根據(jù)測定出的聲速還可以推算出氣體的一些參量。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0 oC時，聲速為時，聲速為 vo331.45ms，顯，顯然在然在 t oC時，干燥空氣中聲速的理論值應(yīng)為時，干燥空氣中聲速的理論值應(yīng)為 由此我們也可以

4、想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是由此我們也可以想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是不同的不同的 。 返回返回聲速的測定二、實驗原理 本實驗是對超聲波波速的測量。測量聲速最簡單、本實驗是對超聲波波速的測量。測量聲速最簡單、最有效的方法之一是利用聲速最有效的方法之一是利用聲速v 、振動頻率、振動頻率 f 和波長和波長 之之間的基本關(guān)系，即間的基本關(guān)系，即 v=f 測出聲振動頻率測出聲振動頻率 f 和聲波的波長和聲波的波長 ，就可算出聲波，就可算出聲波的波速的波速 v。當(dāng)然這僅僅是一種最簡便的近似測量。當(dāng)然這僅僅是一種最簡便的近似測量。 實驗室中常利用，用實驗室中常利用，用振幅法振幅法、相位法相位法

5、測定波長測定波長 ，由，由函數(shù)發(fā)生器或示波器直接讀出頻率函數(shù)發(fā)生器或示波器直接讀出頻率 f。 聲速的測定1. 振幅法 振幅法也稱駐波法。發(fā)射器發(fā)出的聲波近似于平振幅法也稱駐波法。發(fā)射器發(fā)出的聲波近似于平面波。經(jīng)接收器反射后，波將在兩端面間來回反射面波。經(jīng)接收器反射后，波將在兩端面間來回反射,并并且疊加。當(dāng)兩個換能器之間的距離等于半波長的整數(shù)倍且疊加。當(dāng)兩個換能器之間的距離等于半波長的整數(shù)倍時發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達到極大。由縱時發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達到極大。由縱波的性質(zhì)可以證明，振動位移處于波節(jié)時，則聲壓是處波的性質(zhì)可以證明，振動位移處于波節(jié)時，則聲壓是處于波腹。于波腹。

6、 位移聲壓S1S2三、測量原理返回返回聲速的測定2. 相位法波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是相位的傳播。波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態(tài)相同沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態(tài)相同(同相同相: 相相位差為位差為0)或者說其相位差為或者說其相位差為2的整數(shù)倍時兩點間的距的整數(shù)倍時兩點間的距離應(yīng)等于波長離應(yīng)等于波長的整數(shù)倍，即的整數(shù)倍，即 l = n (n為一正整數(shù)為一正整數(shù)) 利用這個公式可測量波長。利用這個公式可測量波長。相位法又可分為相位法又可分為行波法行波法和和李薩如圖形法李薩如圖形法。下一頁聲速的測定行波法 將發(fā)射信號和接收信號同時輸入到示波器，此

7、將發(fā)射信號和接收信號同時輸入到示波器，此時示波器上同時顯示的發(fā)送和接收電信號。當(dāng)改變時示波器上同時顯示的發(fā)送和接收電信號。當(dāng)改變兩個換能器之間的距離時，發(fā)送信號不變，而接收兩個換能器之間的距離時，發(fā)送信號不變，而接收電信號（正弦波）的幅值和位置均發(fā)生變化，當(dāng)接電信號（正弦波）的幅值和位置均發(fā)生變化，當(dāng)接收電信號的位置與發(fā)射信號的位置前后兩次重合時收電信號的位置與發(fā)射信號的位置前后兩次重合時接收器走過的距離，就是信號的波長。接收器走過的距離，就是信號的波長。1x2x12xxl下一頁聲速的測定李薩如圖法位相法的另一種測量方法是李薩如圖法位相法的另一種測量方法是李薩如圖法當(dāng)兩路信號同時輸入輸入示波器

8、時，熒光屏上當(dāng)兩路信號同時輸入輸入示波器時，熒光屏上將顯示出兩個同頻率相互垂直的諧振動的疊加將顯示出兩個同頻率相互垂直的諧振動的疊加圖形圖形李薩如圖李薩如圖24434547223012兩個同斜率直線所對應(yīng)的傳感器間距為一個波長兩個同斜率直線所對應(yīng)的傳感器間距為一個波長 。返回返回聲速的測定三、實驗儀器 本實驗使用的儀器主要有：聲本實驗使用的儀器主要有：聲速測量儀、速測量儀、 函數(shù)發(fā)生器和示波器。函數(shù)發(fā)生器和示波器。聲速測量儀聲速測量儀由：超聲壓電陶瓷由：超聲壓電陶瓷換能器、帶有標(biāo)尺的底座和讀數(shù)裝置換能器、帶有標(biāo)尺的底座和讀數(shù)裝置構(gòu)成，用來作聲壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換，構(gòu)成，用來作聲壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換

9、，以及波長的測量。以及波長的測量。函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器用來產(chǎn)生超聲波；用來產(chǎn)生超聲波； 示波器示波器用來觀察超聲波的振幅、用來觀察超聲波的振幅、相位和頻率。相位和頻率。聲速的測定1.聲速測量儀讀數(shù)裝置壓電陶瓷換能器標(biāo)尺底座返回返回聲速的測定傳感器及它的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 傳感器是物理實驗中常用的間接測量元件。本實驗傳感器是物理實驗中常用的間接測量元件。本實驗中使用的傳感器是由壓電陶瓷片構(gòu)成的，其中一個是用來中使用的傳感器是由壓電陶瓷片構(gòu)成的，其中一個是用來產(chǎn)生機械振動并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個用來接收產(chǎn)生機械振動并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個用來接收振動，同時電輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。振動，同時電輸

10、出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。 下一頁聲速的測定 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外殼返回返回聲速的測定示波器 返回返回聲速的測定信號發(fā)生器函數(shù)選擇頻率范圍選擇頻率微調(diào)信號輸出開關(guān)返回返回聲速的測定四、實驗內(nèi)容及現(xiàn)象2、利用共振駐波法測量聲速、利用共振駐波法測量聲速3、利用行波法測量聲速、利用行波法測量聲速4、利用李薩如圖法測量聲速、利用李薩如圖法測量聲速1、諧振頻率的調(diào)整、諧振頻率的調(diào)整聲速的測定1 1、諧振頻率的調(diào)整、諧振頻率的調(diào)整改變信號發(fā)生器的頻率時，看到改變信號發(fā)生器的頻率時，看到返回返回聲速的測定2 2、利用共振駐波法測量聲速、利用共振駐波法測量聲速將換能器的接收端接入示波器的將

11、換能器的接收端接入示波器的CH1通道，當(dāng)改通道，當(dāng)改變換能器之間的距離時變換能器之間的距離時返回返回聲速的測定3 3、利用行波法測量聲速、利用行波法測量聲速返回返回保持剛才的接線，同時將發(fā)射波接入保持剛才的接線，同時將發(fā)射波接入CH2, 選擇觸選擇觸發(fā)與發(fā)射波同步，當(dāng)改變換能器之間的距離時發(fā)與發(fā)射波同步，當(dāng)改變換能器之間的距離時聲速的測定4 4、利用李薩如圖法測量聲速、利用李薩如圖法測量聲速返回返回保持剛才的接線，水平顯示選擇保持剛才的接線，水平顯示選擇X-Y，當(dāng)改變，當(dāng)改變換能器之間的距離時換能器之間的距離時聲速的測定五、有關(guān)聲波研究的應(yīng)用五、有關(guān)聲波研究的應(yīng)用1、聲音與我們的生活、聲音與我

12、們的生活2、聲速測量的目的、聲速測量的目的3、聲速測量的發(fā)展、聲速測量的發(fā)展聲速的測定1 1、聲音與我們的生活、聲音與我們的生活自然界中充滿了各種各樣的聲音：收音機里自然界中充滿了各種各樣的聲音：收音機里播放的悅耳音樂聲，飛機掠過長空時擾人的噪聲，播放的悅耳音樂聲，飛機掠過長空時擾人的噪聲，狂風(fēng)的呼嘯聲，海禱狂風(fēng)的呼嘯聲，海禱 的怒吼聲，爽朗的歡笑聲，歡的怒吼聲，爽朗的歡笑聲，歡暢的交談聲，暢的交談聲，等等，在日常生等等，在日常生 活中處處都可以活中處處都可以聽到?？梢娐曇襞c我們的生活是密切相關(guān)的。聽到?？梢娐曇襞c我們的生活是密切相關(guān)的。人類對聲學(xué)的研究最早可以追溯到公元前人類對聲學(xué)的研究最早

13、可以追溯到公元前580年埃及人畢達哥拉斯。年埃及人畢達哥拉斯。 而古希臘人亞里士多德接觸到而古希臘人亞里士多德接觸到聲學(xué)理論，他持有關(guān)于空氣的運動性質(zhì)構(gòu)成聲音的正聲學(xué)理論，他持有關(guān)于空氣的運動性質(zhì)構(gòu)成聲音的正確思想，并且他還知道，如果管的長度加倍，則管內(nèi)確思想，并且他還知道，如果管的長度加倍，則管內(nèi)的振動就要花兩倍的時間。的振動就要花兩倍的時間。下一頁聲速的測定今天人們對聲音的研究，從語音聲學(xué)、生理聲學(xué)、今天人們對聲音的研究，從語音聲學(xué)、生理聲學(xué)、建筑聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、水聲學(xué)、超聲學(xué)等等，遍及各個建筑聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、水聲學(xué)、超聲學(xué)等等，遍及各個領(lǐng)域。領(lǐng)域。牛頓在他的牛頓在他的原理原理中對聲速作了

14、理論推導(dǎo)，但實中對聲速作了理論推導(dǎo)，但實驗的結(jié)果與此并不相符，牛頓推測了實驗值和理論值之間驗的結(jié)果與此并不相符，牛頓推測了實驗值和理論值之間不一致的原因。但是，真正的解釋是在過了一個世紀(jì)之后不一致的原因。但是，真正的解釋是在過了一個世紀(jì)之后由拉普拉斯由拉普拉斯(17491827)(17491827)做的。做的。 牛頓沒有考慮到由于壓縮牛頓沒有考慮到由于壓縮變熱和稀疏致冷引起的彈性變化。變熱和稀疏致冷引起的彈性變化。 特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在0.00010.0001赫茲至赫茲至20赫茲之間的波。雖然我們的耳朵聽不見赫茲之間的波。雖然我們

15、的耳朵聽不見它，它，在我們周圍由自然和人工產(chǎn)在我們周圍由自然和人工產(chǎn)生的次聲波也很多。生的次聲波也很多。下一頁聲速的測定如火山爆發(fā)、地震、流星爆炸、極光、雷電、如火山爆發(fā)、地震、流星爆炸、極光、雷電、磁暴、臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、晴空湍流、風(fēng)暴、海浪、電磁暴、臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、晴空湍流、風(fēng)暴、海浪、電離層擾動、核爆炸、火箭發(fā)射、大炮、化學(xué)爆炸、離層擾動、核爆炸、火箭發(fā)射、大炮、化學(xué)爆炸、飛機、火車、高速行駛中的汽車、某些大型工廠、飛機、火車、高速行駛中的汽車、某些大型工廠、高樓、風(fēng)吹過高山等等，都會在一定的條件產(chǎn)生次高樓、風(fēng)吹過高山等等，都會在一定的條件產(chǎn)生次聲波。聲波。雖然早在上百年前就首次記錄到了次聲波

16、，雖然早在上百年前就首次記錄到了次聲波，可是人們次對聲的認識卻沒有多大進展。到近二十可是人們次對聲的認識卻沒有多大進展。到近二十年來，科學(xué)技術(shù)有了飛躍的發(fā)展，人們對自然界中年來，科學(xué)技術(shù)有了飛躍的發(fā)展，人們對自然界中次聲現(xiàn)象及次聲傳播規(guī)律的認識才有了較大提高次聲現(xiàn)象及次聲傳播規(guī)律的認識才有了較大提高它的應(yīng)用前景是很廣闊的，大致可分為下列它的應(yīng)用前景是很廣闊的，大致可分為下列幾個方面：預(yù)測自然災(zāi)害性事件；通過測定次聲波幾個方面：預(yù)測自然災(zāi)害性事件；通過測定次聲波受大氣其他波動的影響結(jié)果受大氣其他波動的影響結(jié)果 ；探測氣象運動的性質(zhì)；探測氣象運動的性質(zhì)和規(guī)律；生物學(xué)以及核爆炸、火箭發(fā)射的影響等。和

17、規(guī)律；生物學(xué)以及核爆炸、火箭發(fā)射的影響等。 返回返回聲速的測定2 2、聲速測量的目的、聲速測量的目的聲學(xué)測量和分析是人們認識聲學(xué)問題本質(zhì)的一種聲學(xué)測量和分析是人們認識聲學(xué)問題本質(zhì)的一種手段。通過必要的測量和分析可以對聲學(xué)有定量概念，手段。通過必要的測量和分析可以對聲學(xué)有定量概念，從而了解其規(guī)律性。從而了解其規(guī)律性。 聲學(xué)測量通常是指先用電聲聲學(xué)測量通常是指先用電聲( (或機電或機電) )換能器把聲換能器把聲波波( (或振動或振動) )轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，然后用電子儀表放大轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，然后用電子儀表放大到一定的電壓，再進行測量與分析的技術(shù)以及有關(guān)聲學(xué)到一定的電壓，再進行測量與分析的技術(shù)以

18、及有關(guān)聲學(xué)儀器的工作原理儀器的工作原理 返回返回聲速的測定3、聲速測量的發(fā)展二十世紀(jì)以來，聲學(xué)測量技術(shù)發(fā)展很快目前聲學(xué)二十世紀(jì)以來，聲學(xué)測量技術(shù)發(fā)展很快目前聲學(xué)儀器有較大發(fā)展，并具有高保真度，如寬的頻率范圍和動儀器有較大發(fā)展，并具有高保真度，如寬的頻率范圍和動態(tài)范圍，小的態(tài)范圍，小的非線性畸變和良好的瞬態(tài)響應(yīng)等。非線性畸變和良好的瞬態(tài)響應(yīng)等。過去，測量聲波和振動的儀表都是模擬式電子儀表，過去，測量聲波和振動的儀表都是模擬式電子儀表，測量的速度和準(zhǔn)確度受到一定的限制。六十年代初。出現(xiàn)測量的速度和準(zhǔn)確度受到一定的限制。六十年代初。出現(xiàn)了數(shù)字式儀表，直接采用數(shù)字顯示，提高了測量時讀數(shù)的了數(shù)字式儀表，

19、直接采用數(shù)字顯示，提高了測量時讀數(shù)的準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確度。 由于計算技術(shù)和高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成由于計算技術(shù)和高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路的發(fā)展，人們已能用由微處理機控制的自動測量代替電路的發(fā)展，人們已能用由微處理機控制的自動測量代替逐點測量，使許多需要事后計算的聲學(xué)測量和分析工作可逐點測量，使許多需要事后計算的聲學(xué)測量和分析工作可以用微計算機實時運算。以用微計算機實時運算。下一頁聲速的測定以微處理機為中心的測量儀器，不但實現(xiàn)以微處理機為中心的測量儀器，不但實現(xiàn)了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里葉了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法從而實現(xiàn)了實時分析。同時也出現(xiàn)了一些換算法從而實現(xiàn)了實時分析。同時也出現(xiàn)了一些新的聲學(xué)測量和分析方法，例如實時頻譜分析，新的聲學(xué)測量和分析方法，例