声速的测量

信息工程学院、生物医学工程、李杰（61034110132）

 实验目的

1、学会测量超声波在空气中的传播速度的方法，理解驻波和振动合成理论。

2、学会用逐差法进行数据处理。

3、了解声波在空气中的传播速度与气体状态参量的关系。

4、了解压电换能器的功能和培养综合使用的能力。

实验仪器

声速测量仪、示波器、信号发生器、信号接受器

实验原理

1、声音在空气中传播

2、声波的速度与空气的状态有关参量（温度、比热比、单位气体摩尔质量、湿度）

3、声波是纵波具有振动频率和波长

4、声波叠加形成驻波，波节出压力最大（电信号最强）

实验方法

由v=f·λ(v为声速、f为声源振动频率、λ为声波波长)

求的声波频率f和波长λ，就可求的波长。

※相位法

波在传播方向的传播是相位的传播，在传播方向上，任何振动状态相同的两点之间的距离就是波长的整数倍。

                    L=nλ（n为正整数）

得到λ=L/n

利用超声波发射器发出声波，在接收器的端面上各点具有相同的振动状态且找到信号与发射器所激发的信号相同的位置(a)，沿着波的传播方向移动，当接收器的端面上出现相同振动状态的点时停止,位置（b）。移动的距离就是声波的波长。即λ=ab两点间的距离。

（在操作中，用示波器测定信号时，接收器端面的声波与声源不同相，具有一点的相位差，可以利用双踪示波器比较发射器哦信号和接收器的信号来测量声波的波长）

实验步骤：1、按要求连接电路

                图1-1  相位法测声速实验装置图

2、将示波器的秒格旋钮旋至X--Y挡，信号发生器接示波器的CH₂通道，利用李萨如图形观察发射波与接受波的位置差，找出相同点。

3、达到共振后，将S₂移近S₁，再缓慢移开S₂，当示波器上出现45⁰倾斜线时，微调游标卡尺的微调螺丝，将图形稳定，记下S₂的位置Χ¹₀

4、缓慢移开S_2，依次记下20个示波器上李莎茹图形为直线时游标卡尺的读数Χ¹_1、Χ¹_2、Χ¹_{3··········}Χ¹₂₀。

5、用逐差法算出声波波长的平均值。

 

※驻波法

1、按要求连接电路与图1-1一样。

2、根据实验室给出的换能器的振动频率f，将信号发生器的输出频率调至f附近，并移动S₂,D当示波器上首次出现振幅较大时固定S_2，再细微调节发射器的输出频率，使示波器上的振幅达到最大，并得出共振频率f。

3、达到共振后，将S₂移近S₁，再缓慢移开S₂，记下当振幅最大时，S₂的位置

Χ₀ 。

_4、由近及远移动S₂，逐次记下振幅最大时S₂  的位置，连续测出20个数据Χ₁

Χ_2、Χ_{3··········}Χ₂₀。

5、用逐差法算出声波的波长。

数据：

波长λ的平均值λ=       

不确定度U=          

计算公式：

=

λ标准偏差：σ_λ= 

λ平均变准偏差：σ_λ= 

λ的不确定度λ=           

f的标准偏差 σ_f=       

f的不确定都f=            

计算σv=           

实验注意事项

1、确定换能器的固有频率

2、声波共振后保持电压不变

3、实验前严格按照仪器说明使用仪器，试验后，整理仪器。

第二篇：声速的测量实验报告

大学物理实验课教案

一  实验目的：

（1）加深对驻波及振动合成等理论知识的理解，

（2）掌握用驻波法、相位法测定超声波在媒介中的传播速度，

（3）了解压电换能器的工作原理，进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示波器观测物理参数的综合运用能力。

二  实验仪器：

     SVX-3综合声速测定信号源、声速测定架。数字示波器。。

三  实验原理

声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波（频率超过2×10⁴Hz的声波）传播速度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。

（一）驻波法测量声速基本原理

如图所示为两列同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形，其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹（节）间距X的测量便可实现对波长λ的间接测量，结合对驻波谐振频率f的测量便可间接求算声波的传播速度v。

v = λ× f

λ=2X

v = 2X× f

                              原理图示1（驻波法原理图）

（二）相位法测量声速基本原理

  请同学们自行完成！要求体现以下两个方面的内容！

（1）简谐振动正交合成的基本原理，

（2）利用李萨如图形的相位差特点间接测量声速的基本原理。

四  实验内容与步骤

（一）驻波法测声速

 

               实验连线图示1（驻波法）

（1） 了解测试仪的基本结构，调节两个换能器的间距5cm左右。

（2） 初始化示波器面板获得扫描线。

（3） 按图示1正确连线，将示波器的扫描灵敏度与通道1垂直灵敏度旋钮分别调至适当档位，缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹位置（示波器显示波形幅值最大）。

（4） 依次调节信号源的频率粗、细调旋钮，同时观察示波器显示波形幅值变化情况，幅值最大时所对应的频率即为谐振频率f，将f数值记录于（表一）。

（5） 逆时针方向转动换能器平移鼓轮至两换能器端面距离约5厘米左右，确定所选第一个波腹的位置并初始化数显读数标尺。

（6） 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹（节）位置（示波器显示波形幅值最大）并记录相应的数显标尺读数于（表一）。

（7） 重复步骤7连续记录14个波腹（节）的位置读数并记录于（表一）。

（8） 实时记录环境温度与SV8输出电压幅值V。

（二）相位法测声速

（1） 保持驻波法连线不变，另用一根电缆线连接信号源的发射波形接口与示波器通道2输入端口。

（2） 调节示波器扫描旋钮至正交档，逆时针方向转动换能器平移鼓轮观察不同相位差时的李萨如图形（斜线、椭圆、圆）。当两换能器端面距离约5厘米时停止转动。

（3） 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一正（反）斜线时停止转动换能器平移鼓轮并初始化数显读数标尺。

（4） 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一反（正）斜线时停止转动换能器平移鼓轮并将此时的数显标尺读数记录于（表二）。

（5） 重复步骤4记录14个反（正）斜线波形的位置读数并记录于（表二）。

（6） 实时记录环境温度与SV8输出电压幅值V。

（7） 结束实验归整仪器。

五  原始数据记录表（此表要求学生课前完成并绘于预习报告中）

表一  驻波法测量声波传播速度记录表

表二  相位法测量声波传播速度记录表（正反斜线法）

六  注意事项

（1）示波器辉度调节应适度，不可调至最大！

（2）两换能器发射端面不可接触！（X>5cm）

（4）转动换能器平移鼓轮不可过快！并注意避免回程差！

七  实验数据处理与实验结果

1   原始数据见原始数据记录纸，

2   数据处理采用的具体方法：列表法与逐差法

3   数据处理与实验结果（仅供参考，表中T_O=273.15K, V_实代表声速实测值）

输入频率： _36761Hz，  0.3Hz    ,环境温度：30.0°C，电压15伏）

实验结果：

实测值与理论计算值之间的百分误差：

 

八  问题讨论（必须持有自己的观点方可请教老师！）

（1）用示波器观测交变信号波形的时候，如果波形快速移动不便于观测，其根本原因是什么？如何解决？

（2）用相位法测声速过程中，可分别采用正、负斜线法与正、负椭圆法，哪一种方法更简单合理？为什么？