实 验 报 告

声速的测量

【实验目的】

1.学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速

2.学会用逐差法进行数据处理；

3.了解声速与介质参数的关系。

【实验原理】

由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。

超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。本实验采用的是压电陶瓷制成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。

声波的传播速度与其频率和波长的关系为： (1)

由(1)式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。同样，传播速度亦可用  (2) 表示，若测得声波传播所经过的距离L和传播时间t，也可获得声速。

1.共振干涉法

实验装置如图1所示，图中和为压电晶体换能器，作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当和的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即

 (3)

时，发出的声波与其反射声波的相位在处差(n=1，2 ……)，因此形成共振。

因为接收器的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。

图中各极大之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应的接收器的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。

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实验原理

声波的传播速度与声波频率和波长的关系为：

可见，只要测出声波的频率和波长，即可求出声速。可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。

根据超声波的特点，实验中可以采用几种不同的方法测出超声波的波长：

1. 驻波法（共振干涉法）

如右图所示，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），则根据公式：就可算出超声波在空气中的传播速度，其中超声波的频率可由信号发生器直接读得。

2.相位比较法

实验接线如下图所示。波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。在声波传播方向上，所有质点的振动位相逐一落后，各点的振动位相又随时间变化。声波波源和接收点存在着位相差，而这位相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位相关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观察。

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《声速测量》实验预习报告

一、    实验原理

1．      理论计算

理想气体中声波的传播速度为

其中，γ为比热容比，Ｍ是气体的摩尔质量，Ｔ是绝对温度，Ｒ＝(mol·K)

在室温t下，干燥空气中的声速为

其中，，。

但实际中空气并不是干燥的，所以修正的结果为

其中，r为相对湿度，p_s为饱和蒸汽压，。

2．      实验方法

由于，故只要测出频率和波长，就可以求出声速。

其中，声波频率由声源振动频率得到，再用相位法测得波长即可。波可以看成是相位的传播。沿传播方向上的任意两点，只要他们的振动状态相同，即同相或者相位差为２π的整数倍，这时两点间的距离应等于波长λ的整数倍，即。

当在发射器的声波中沿传播方向移动接受器时，总可以找到一个位置，使得接受器接受到的电信号和发射器的激励电信号同相。继续移动接受器，知道接受的信号再一次和激励电信号同相的时候，移过的距离必然等于声波的波长。利用利萨如图形在两个电信号同相或反相时椭圆退化为友斜或左斜直线即可判断。

二、    实验步骤

1．      连接电路。函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端及示波器的通道1相连；超声波接受器的输出端和示波器的通道2相连。函数信号发生器置于正弦波输出，频率置于100kHz档，输出幅度调到峰值10V左右。

2．      用示波器观察加在声波发射器上的电信号和超声波接受器输出的电信号。先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右，然后细调频率，使接受器输出信号最大，记下此频率，即超声波频率。实验过程中若有改变，记下最大最小值，最后取平均值。

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《声速测量》实验预习报告

一、    实验原理

1．      理论计算

理想气体中声波的传播速度为

其中，γ为比热容比，Ｍ是气体的摩尔质量，Ｔ是绝对温度，Ｒ＝8.31441J/(mol·K)

在室温t下，干燥空气中的声速为

其中，，。

但实际中空气并不是干燥的，所以修正的结果为

其中，r为相对湿度，p_s为饱和蒸汽压，。

2．      实验方法

由于，故只要测出频率和波长，就可以求出声速。

其中，声波频率由声源振动频率得到，再用相位法测得波长即可。波可以看成是相位的传播。沿传播方向上的任意两点，只要他们的振动状态相同，即同相或者相位差为２π的整数倍，这时两点间的距离应等于波长λ的整数倍，即。

当在发射器的声波中沿传播方向移动接受器时，总可以找到一个位置，使得接受器接受到的电信号和发射器的激励电信号同相。继续移动接受器，知道接受的信号再一次和激励电信号同相的时候，移过的距离必然等于声波的波长。利用利萨如图形在两个电信号同相或反相时椭圆退化为友斜或左斜直线即可判断。

二、    实验步骤

1．      连接电路。函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端及示波器的通道1相连；超声波接受器的输出端和示波器的通道2相连。函数信号发生器置于正弦波输出，频率置于100kHz档，输出幅度调到峰值10V左右。

2．      用示波器观察加在声波发射器上的电信号和超声波接受器输出的电信号。先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右，然后细调频率，使接受器输出信号最大，记下此频率，即超声波频率。实验过程中若有改变，记下最大最小值，最后取平均值。

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物理实验报告

姓名：           专业：                 班级：                学号：               

实验日期：         实验教室：     5107        指导教师：                  

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测量声速（实验报告）

实验目的：

   1）探究影响声速的因素，超声波产生和接收的原理。

      2）学习、掌握空气中声速的测量方法

      3）了解、实践液体、固体中的声速测量方法。

      4）三种声速测量方法作初步的比较研究。

实验仪器:

      1）超声波发射器

      2）超声波探测器

      3）平移与位置显示部件。

      4）信号发生器：

      5）示波器

实验原理：

 1)空气中：

  a.在理想气体中声波的传播速度为

                                            （1）

（式中称为质量热容比，也称“比热[容]比”，它是气体的质量定压热容与质量定容热容的比值；M 是气体的摩尔质量，T是绝对温度，R=8.314472(1±1.7×10^-6)为摩尔气体常量。）

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示波器的原理和使用及声速测量（预习报告）

示波器的原理和使用

实验目的

1)   学习使用示波器。

2)   学会使用函数发生器。

实验原理

示波器原理

阴极射线示波器一般都包括以下几个部分：示波管、竖直放大器、水平放大器、扫描发生器、触发同步和直流电源等。如果在竖直偏转板上加待测电压，在水平偏转板上加上与待测电压同周期或周期为整数倍的扫描电压，则在荧光屏上将能显示出完整周期的所加待测电压的波形图。

李萨如图形的基本原理

如果示波器的X和Y输入是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，则屏上的光点将呈现特殊形状的轨迹，这种轨迹图称为李萨如图形。如果做一个限制光点x、y方向变化范围的假想方框，则图形与此框相切时，横边上的切点数n_x与竖边上的切点数n_y之比恰好等于Y和X输入的两正弦信号的频率之比。即：f_y:f_x=n_x:n_y，若有端点与假想边框相接时，应把一个端点记为1/2个切点。利用李萨如图形能方便得比较出两个正弦信号的频率。

实验步骤

观察波形

从自制多波形信号发生器输出正弦波、方波、三角波和尖脉冲四种波形。分别用示波器测出其正弦波输出幅度的有效值，方波幅度的峰峰值，三角波的周期，尖脉冲的频率。

观察李萨如图形

（1） 将自制信号源和函数信号发生器的正弦信号分别输入到示波器的两输入端，调出频率比为1：1或1：2的李萨如图形，并由此定出自制信号源正弦波信号的频率。

（2） 将频率耦合信号发生器的两个正弦信号输入到示波器上，调出频率比为1：2或1：3的稳定的李萨如图形。记录下图形形状及f_y:f_x的值。

根据电容充放电原理，研究方波与三角波、尖脉冲之间的关系

（1） 从电容器的充放电波形到三角波。用函数信号发生器输出方波u，加在由RC组成的电路上。用示波器同时观察u和u_c。然后改变R或f,观察并记录变化规律及其变化前后的频率、电阻及电容等参数。

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