聲速的測定實驗

聲速的測量聲波是一種在彈性介質中傳播的縱波。聲速則是描述聲波在媒質中傳播特性的一個基本物理量。測量聲速最簡單的方法之一就是利用聲速與振動頻率f和波長入之間的關系即（V=f）求出。本實驗要測量的是超聲波在空氣中的傳播速度。超聲波是頻率為2X1°4一109Hz的機械波，它具有波長短，易于定向發(fā)射等特點。所以應用非常廣泛，如醫(yī)用B超、超聲洗牙機、超聲探測器、超聲碎石機、超聲驅蚊機、超聲測距儀等等。實驗目的學會用共振干涉法和位相法測量超聲波在空氣中的傳播速度。學會使用示波器和信號發(fā)生器。加強對駐波及振動合成等理論的理解。實驗儀器1.發(fā)射換能器；2.游標卡尺主尺；3.接收換能器；4.換能器固定螺絲；5.游標鎖定螺絲;6.游標細調螺絲；7.支架；8.信號輸入插孔；9.減震片；10.信號輸出插孔圖3-14-1聲速測量儀結構簡圖聲速測量儀、示波器、信號發(fā)生器等。實驗原理實驗用的共振干涉法和位相比較法，測量其頻率f和波長入來算出聲速。實驗裝置聲速測量儀主要由支架，游標卡尺和兩只超聲波壓電換能器組成，如圖3-14-1所示。兩只超聲波壓電換能器的位置分別與游標卡尺的主尺和游標相對定位，所以兩只超聲壓電換能器相對位置間距離的變化量可在游標卡尺上直接讀出；兩只超聲換能器，一只為發(fā)射超聲波換能器（電聲轉換），另一只為接收超聲波換能器（聲電轉換），其結構完全相同。發(fā)射器的平面端面用來產(chǎn)生平面超聲波，接收器的平面端面則為超聲波的接收面。超聲波壓電換能器工作在超聲范圍，能保持實驗室安靜，而且發(fā)射的是單方向的平面超聲波，方向性強，超聲波的聲強隨距離的增加衰減較小。實驗儀所用支架的結構采用了減震措施，能有效地隔離兩超聲換能器間通過支架而產(chǎn)生的機械振動耦合。從而避免了由于超聲波在支架中傳播而引起的測量誤差。共振干涉法（駐波法）實驗裝置如圖3-14-2所示。實驗時將信號發(fā)生器輸出的正弦電壓信號接到發(fā)射超聲換能器上，超聲發(fā)射換能器通過電聲轉換，將電壓信號變?yōu)槌暡?，以超聲波形式發(fā)射出去。接收換能

器通過聲電轉換，將聲波信號變?yōu)殡妷盒盘柡螅腿胧静ㄆ饔^察。由聲波傳播理論可知，從發(fā)射換能器發(fā)出一定頻率的平面聲波，經(jīng)過空氣傳播，到達接收換能器。如果接收面和發(fā)射面嚴格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波與反射波相互干涉形成駐波。此時，兩換能器之間的距離恰好等于其聲波半波長的整數(shù)倍，在聲駐波中，波腹處聲壓最小，波節(jié)處聲壓最大。接收換能器的反射界面處為波節(jié)，聲壓效應最大。所以可從接收換能器端面聲壓的變化來判斷超聲波駐波是否形成。移動卡尺游標，改變兩只換能器端面的距離，在一系列特定的距離上，媒質中將出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象，此時，'等于半波長的整數(shù)倍，只要我們監(jiān)測接收換能器輸出電壓幅度的變化，記錄下相鄰兩次出現(xiàn)最大電壓數(shù)值時卡尺的讀數(shù)（兩讀數(shù)之差的絕對值等于超聲波波長的二分之一），則根據(jù)公式：V=入f就可算出超聲波在空氣中的傳播速度。其中超聲波的頻率由信號發(fā)生器直接讀得。為提高測量精度，應充分使用整個卡尺行程，盡可能多的取得產(chǎn)生駐波時的卡尺讀數(shù)，然后將所得的數(shù)據(jù)用逐差法進行處理，最后得到更為準確的聲波波長。圖3-14-3圖3-14-3位相比較法實驗線路圖位相比較法（行波法）位相比較法接線如圖3-14-3所示，聲波波源振動時，將帶動周圍的空氣質點振動。發(fā)射面向前運動時，使得前面的空氣變得稠密，發(fā)射面向后運動時，使前面的空氣變得稀疏。通過空氣質點間的相互作用，這種疏密狀態(tài)由聲波波源向外傳播，形成波動過程。在聲波傳播方向上，所有質點的振動位相逐一落后，各點的振動位相又隨時間變化，但它們的振動頻率與聲源相同。因此，聲場中任一點與聲源間的位相差不隨時間變化。聲波波源和接收點存在著位相差，而這位相差則可以通過比較接收換能器輸出的電信號與發(fā)射換能器輸入的正弦交變電壓信號的位相關系中得出，并可利用示波器的李薩如圖形來觀察。位相差中和角頻率°、傳播時間t之間有如下關系：中=st°=同時有，，'=lv，X=Tv（式中T°=同時有，2兀l（3-14-2）平'（3-14-2）當‘2 （n=1，2，3，...）時，可得甲=〃丸。由上式可知：當接收點和波源的距離變化等于一個波長時，則接收點和波源的位相差也正好變化一個周期（即①二2兀）。實驗時，通過改變發(fā)射器與接收器之間的距離，觀察到相位的變化。當相位差改變兀時，相應距離'的改變量即為半個波長。根據(jù)波長和頻率即可求出波速。實驗內容用共振干涉法測聲速首先調整兩只換能器固定卡環(huán)上的緊固螺絲，使兩只換能器的平面端面與卡尺游標滑動方向相垂直，保持換能器位置固定。按圖3-14-2接好電路。(注意：所有儀器一定要共地)。調節(jié)信號發(fā)生器的輸出電壓和頻率(f=35kHz左右)，使換能器在諧振頻率附近工作。調整時可通過觀察屏上正弦波幅度的變化，微調信號發(fā)生器輸出信號頻率，直至屏上的正弦波幅度最大。調節(jié)示波器，使屏上正弦波幅度適中。移動卡尺游標，逐漸加大兩只換能器的間距，觀察示波器屏上正弦波形幅度的周期性變化。當每出現(xiàn)一次波形幅度最大數(shù)值時，讀取并記錄卡尺指示數(shù)。為了準確得到接收聲壓最強的位置，可利用游標卡尺上的微動螺絲，仔細調整接收器位置。測量數(shù)據(jù)表3-14-1測量數(shù)據(jù)表f=kHz實驗結果：V實m/s。用位相比較法測聲速蝦=事 * 2k圖3-14-4反向點和同相點的判斷圖形實驗裝置如圖3-14-3所示。將兩只換能器的正弦電壓信號分別輸入到示波器的“X軸”和“Y軸”，熒光屏上便顯示出兩個相同頻率的垂直振動的合成圖形。當接收器從發(fā)射器附近慢慢移開時，接收器與發(fā)射器間的位相差隨移動的距離變化，熒光屏上的圖形也相應地周期性變化（如圖3-14-4）。在移動接收器的同時，注意觀察屏上圖形的變化。每當屏上出現(xiàn)斜直線圖形時，從游標卡尺上直接讀出反向點和正相點的位置。⑴由于發(fā)射端信號比接收端強，而一般示波器Y軸靈敏度比X軸高，因此通常Y軸接接收端信號，X軸接發(fā)射端信號。⑵將示波器“掃描范圍”旋鈕扳到“X-Y”位置。適當調節(jié)示波器，使熒光屏上的李薩如圖形能便于觀察。如果圖形效果不好，可調節(jié)X軸和Y軸的衰減旋鈕。⑶移動接收器，逐漸改變兩只換能器的間距，觀察熒光屏上李薩如圖形的變化。每當屏上呈現(xiàn)出正、負斜率的直線圖形時，從游標卡尺上讀出該位置的數(shù)值并記錄。⑷記下室溫t°C，根據(jù)聲速的理論公式計算t°C時聲速的理論值：y二、：七1+