实验名称:测定空气中的声速
目的要求:
1． 了解位移驻波和声压驻波的概念.
2． 学习测量空气中声速的原理和方法.
3． 复习示波器和信号发生器的使用.
仪器用具:
声速测定仪, 功率函数发生器, 示波器, 水银气压计, 湿度计, 温度计.
实验原理:
1.第一种方法
空气中的声速, 可以通过测定空气中声波波长λ来求得. 如果已知声源振动的频率f, 那么
............................................................................ (i)
如果空气中一个平面状声源沿与平面垂直的x方向做角频率为ω?振幅为A的简谐振动, 就会形成一列沿x方向传播的平面纵波. 如果该声波在前进中遇到一个垂直于x的刚性平面, 就会反射回来, 与入射波发生干涉, 出现驻波. 以声源所在的位置为坐标源点, 在驻波场中, 坐标为x的空气质点, 他的位移可以表示成
.................................................. (ii)
在驻波场中, 空气质点位移的图像无法直接观察到, 所以我们得看看声压:
.............................................................................. (iii)
于是声压驻波可以表示为
...................................... (iv)
于是我们有
........................................................... (v)
根据p(l)随l周期变化的原理, 可以求出半波长λ/2.
2.第二种方法
还可以通过比较声源处的声压和刚性平面处的声压的相位来测定声速.
如果分别将声源和接收器两处的电压信号接到示波器的x轴和y轴上去, 将会在荧光屏上看到李萨如图形, 当l改变量为一个波长λ时, 就回到原状. 根据这个原理, 便可测出声波波长.
3． 第三种方法
在理想气体中, 声音的传播是绝热过程.
.................................................................. (vi)
其中R为摩尔气体常数, γ未比热比. 经过校准后,
.................... (vii)
pw=psH, ps可以差表得到, H为相对湿度.
实验内容:
1． 用第一种方法测声速
（1） 接好线路, 测定换能器的谐振频率. 主要是观察反射面上得到的振动幅度, 当振动幅度最大的时候, 就得到了谐振频率.
（2） 估算这时的波长, 将两换能器的间距l从大约一两个半波长起, 缓慢的增加, 记录下荧光屏上依次出现正弦波振幅极大值时游标卡尺上的读数, x1, x2, x3, …, 然后再缓慢的减少间距, 记录下正弦波振幅极大值对应的游标卡尺上的读数, x1, x2, x3, …, 分别求出 1/ 2 和 2/ 2 的平均值, 然后再将两者平均, 求出 1 , 2 .
（3） 记录下室温, 计算声速.
2． 用第二种方法测声速
（1） 接好线路, 调到谐振频率.
（2） 调节示波器, 让荧光屏上出现稳定的?大小适中的李萨如图形.
（3） 记录下荧光屏上依次出现相同直线时游标卡尺上的示数 x1, x2, x3 …, 计算波长平均值.
（4） 计算出室温下的声速v
3． 用气体参量计算出声速
正确而且仔细的测量室温 , 并测出相对湿度 H , 查表得出测量温度下的饱和蒸气压 ps, 从而求出pw值, 在测量大气压强p, 然后代入公式求出声速值.
实验数据:
1． 第一种方法
2． 第二种方法
3． 第三种方法
相对湿度
室温 对应的
大气压
实验结果:
1.第一种方法
逐差法计算得
声速
2.第二种方法
逐差法计算得
声速
3.三种方法
带入公式(vii), 则有
分析与讨论:
观察实验结果, 发现前两种方法的结果比较接近, 第三种方法同他们差别较大. 因为他们的原理是不同的. 在第三种方法测定时, 记得温度计和湿度计上的干燥温度是不同的. 因此, 估计第三种方法的结果有问题, 来自温度测量中.
第二篇：超声波测声速实验报告
西安交通大学
大学物理仿真实验
实验报告
——声速的测量
姓 名：林 丽
学 号：2120505028
学 院：电信学院
班 级：计算机22班
一、 实验目的
1. 了解超声波的产生、发射和接收的方法；
2. 用驻波法和相位比较法测声速。
二、 实验仪器
1. 超声声速测定仪：主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。
2. 函数信号发生器：提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率。
3. 示波器：示波器的x, y轴输入各接一个换能器，改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的李萨如图形。并由此可测得当前频率下声波的波长，结合频率，可以求得空气中的声速。
三、 实验原理
由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f λ，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。声波的波长用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）测量。下图是超声波测声速实验装置图。
1.
驻波法测波长
由声源发出的平面波经前方的平面反射后，入射波与发射波叠加，它们波动方程分别是：
叠加后合成波为：
的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：
(n=0,1,2,3…)；
的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：
(n=0,1,2,3…)。
因此，只要测得相邻两波腹（或波节）的位置
、
即可得波长。
2. 相位比较法测波长
从换能器
发出的超声波到达接收器
，所以在同一时刻与处的波有一相位差：
(其中λ是波长，x为和之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变2p。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。
四、 实验步骤
1. 连接仪器。
按照图1连接好仪器，使用前开机预热10min，自动工作在连续被方式，选择的介质为空气，观察和是否平行。
图 2 接线截图
2. 测量信号源的输出频率
。
将示波器调整为y-t模式，观察到正弦信号的波形，使和间的距离约为5cm；调节信号发射强度，波幅为5V，在350（100MHz）附近调节频率，同时观察波形，使信号幅度最大，此时频率为329（100MHz），即为本系统的谐振频率。
3. 驻波法测波长和声速。
向右缓慢移动，观察示波器正弦信号的变化，选择信号最大位置开始读数，记为
，取i=10，用逐差法求出声波波长和误差。利用谐振频率
计算声波波速和误差。
4. 用相位比较法测波长和声速。
将示波器调整为X-Y工作方式。观察示波器出现的李萨如图形，缓慢移动，当重复出现该图形时，说明相位变化了2π，即和之间移动了一个波长。沿右连续测量10个周期，用逐差法处理数据，求出波长、声速及误差。
李萨如图形
图3 Ф=0 图7 Ф=π
图4 Ф=
图8 Ф=
图5 Ф= 图9 Ф=
图6 Ф=
图10 Ф=2π
五、 数据记录及处理
1． 基础数据记录
谐振频率=33.5kHz
2． 驻波法测量声速
表1 驻波法测量声速数据
λ的平均值：
1.0582（cm）
λ的不确定度：
＝0.002（cm）
因为，λi= (1i+6-1i) /3，Δ仪=0.02mm
所以，
0.000544（cm）
0.021（mm）
计算声速：
（m/s）
计算不确定度：
实验结果表示：υ=（354±3）m/s，
=0.8%
3． 相位比较法测量声速
表2 相位比较法测量声速数据（相位变换2π）
λ的平均值：
1.1041（cm）
λ的不确定度：
＝0.002（cm）
因为，λi= (1i+7-1i) /7，Δ仪=0.02mm
所以，
0.000233（cm）
0.020（mm）
计算声速：
（m/s）
计算不确定度：
实验结果表示：υ=（353±3）m/s，B=0.8%
六、 误差分析
1. 由于使用软件虚拟操作，应该不会出现一些读数的误差，操作上也应该没有什么问题；
2. 由于6月9日无法登陆大物实验中心和大厅，所以数据并没有从软件上得到，我只有参考了一些网络上的数据。
七、 实验建议
1. 虚拟实验的软件有很多地方还可以优化一下，如添加一个最小化按钮，调整一下，使之支持64位的操作系统等。
2. 实验的原理可以写得详细一些，由于有些知识没有学习，很大部分的实验原理都看不懂，知识照着实验指导上的步骤去做而已。
八、 思考题
1. 准确测量谐振频率的目的是什么?
答：在谐振频率时，波形最稳定，能够观察读数。准确测量数值，以便于调整。
2. 若固定两换能传感器之间的距离,改变频率,能否测量出声速?为什么?
能。因为v = f λ，已知频率f，而且波长λ也能通过示波器图像读出，所以可以用驻波法测量出声速。