用驻波法测声速
实验目的
1.学会用驻波法测空气中的声速
2.学会用逐差法处理实验数据
实验仪器
实验原理
频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。
使S1发出一平面波。S2作为超声波接收头，把接收到的声压转换成交变的正弦电压信号后输入示波器观察，示波器置扫描方式。S2在接收超声波的同时还反射一部分超声波。这样，由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1和S2之间产生定域干涉。
当S1和S2之间的距离L恰好等于半波长的整数倍时，即
， k = 0，1，2，3 …… ；
形成驻波共振。任意两个相邻的共振态之间，S2的位移为，
所以当S1和S2之间的距离L连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期性变化，相当于S1和S2之间的距离改变了
。此距离可由读数标尺测得，频率
由信号发生器读得，由
即可求得声速。
实验步骤
只有当换能器S1和S2发射面与接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到发射换能器S1谐振频率点处，才能较好地进行声能与电能的相互转换，提高测量精度，以得到较好的实验效果。
超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出电压(100mV～500mV之间)，调节信号频率（在25～45kHz），观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处(34.5～37.5kHz之间)电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点，记录频率νi ，改变S1和S2之间的距离，适当选择位置(即：至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置)，再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均值
0 。
将测试方法设置到连续波方式，把声速测试仪信号源调到共振工作频率（根据共振特点观察波幅变化进行调节）。
在共振频率下，将S2移近S1处，依次记下各振幅最大时的读数标尺位置L1、L2… 共10个值；
记下室温t ；
实验数据
实验数据处理
L1=3.782cm L2=3.774cm L3=3.776cm L4=3.770cm
L5=3.756cm L6=3.752cm L7=3.754cm L8=3.760cm
LN平均值=3.7655cm 波长=LN/4=0.941cm
频率平均值=37168Hz
V测=349.751m/s
V理论=345.30m/s
E=1.289%
第二篇：利用驻波法测超声波的波速
实验教学
10.3969/j.issn.1671-489X.2009.21.115
：利用驻波法测超声波的波速
115
利用驻波法测超声波的波速
湖南农业大学理学院 长沙 410126
摘 要 介绍利用驻波法测量超声波的波速的基本原理和方法，且测量超声波在空气及水中的传播速度。关键词 波长；波速；驻波
中图分类号：TB551 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2009)21-0115-02To Measure Wave Speed of Ultrasonic by Standing Wave Method//Wang Yong
Abstract This paper presents the principle and method measuring the wave speed of ultrasonic by using standing wave method, and measures the wave speed of ultrasonic in air and in water.Key words wave-length; wave speed; standing wave
Author’s address Department of Physics, Hunan Agricultural University, Changsha, 410126, China
1 实验原理
1.1 超声波的发射与接受 采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的转换，压电换能器做波源具有平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时，由于频率在超声范围内，一般的音频对它没有干扰。频率提高，波长λ就短，在不长的距离中可测到许多个λ，取其平均值，λ测定就比较准确，这些都可使实验的精度大大提高[1]。
压电陶瓷超声换能器由压电陶瓷片和轻、重2种金属组成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上产生一定的电场强度E，它们之间有一简单的线性关系：E＝gF。反之，当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与电压U也有线性关系：S＝dU。比例常数g、d称为压电常数，与材料性质有关。由于E、S、F、U之间具有简单的线性关系，因此就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的波源；同样也可以使声压变化转变为电压的变化，用来接收声信号。
1.2 声速测量的基本原理 由波动理论可知，波速υ、波长λ和频率f 之间存在下列关系：υ＝λ·f（1）。可见，只要测得频率和波长就可以求出波速。常用的具体实现方法有驻波法。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。
1.3 驻波法测量声速 按照波动理论，发生器发出的平面声波经介质到接收器，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，于是平面声波在两端面间来回反射并叠加。当接收端面与发射面间的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加后的波就形成驻波。此时相邻两波节（或波腹）间的距离等于半个波长（即λ/2）。当发生器的激励频率等于驻波系统的固有频率（本实验中压电陶瓷的固有频率）时，会产生驻波共振，波腹处的振幅达到最大值。
如图1所示实验装置，为了测出驻波相邻波腹或波节之间的半波长距离，可用示波器观察接收器接收的信号，信号的强弱反映作用在接收器上声压变化的大小。当形成稳定的驻波时，尽管波节处空气元的振动速度为零，但波节两侧空
作者：讲师，在职硕士研究生，研究方向为纳米器件制备与表征、物理教育。
图1 驻波法测量声速实验装置示意图（S1和S2分别为发射和接收超声换能器）
气元的位移反向，从而产生最大的声压变化。所以，如果示波器显示的信号最强，则表明接收面处于声压变化最大处，亦即波节所在的位置。移动接收器的位置，改变接收面与发射面之间的距离时，可以看到示波器上显示的信号幅度发生周期性的大小变化，即由一个极大变到极小，再变到极大；而幅度每一次周期性的变化，就相当于接收面与发射面之间的距离改变半个波长λ/2。这样，测出相邻2次接收信号达到极大时接收面的位置变化量Δl，就可到波长：λ＝2Δl。根据式(1)可以计算声波在空气中的传播速度：υ＝2Δlf。
2 实验方法
2.1 测量谐振频率 调节信号源输出的正弦信号频率为换能器的谐振频率时，才能较好地进行声能与电能的相互转换，发射换能器才能发射出较强的超声波，接收器才能有一定幅度的电信号输出。调节频率，观察接收信号的电压波形的变化，在某一频率点处（34.5 kHz～39.53 kHz之间，因不同的换能器或介质而异）示波器的电压正弦波幅度最大，这一频率即为谐振频率，记录此频率f。
2.2 波长的测量 转动鼓轮调节距离使接收器S2逐渐远离发射器S1，观察示波器，找到接收波形的振幅达到最大值，由标尺上直接读出距离即S2 位置L1并记录。然后向着同方向转动鼓轮调节距离，这时波形的振幅会发生变化，依次记下振幅达到最大值时S2的位置L2、L3……L8共7个点。
3 实验测量数据记录
如表1所示，逐差法求，=
114
?∑li+4?li=0.944(cm)；24i=1
（下转P117）
20xx年8月下 第21期（总第174期）
实验教学
杨成建 陈兴都 杨全 刘伟：高校教学实验中心管理运行体系探析
117
和创新能力的设计性和综合性实验所组成，巩固课程内容，提高教学效果。
为了使实验教学与科研、工程和社会应用实践相结合，可以从2个方面着手[5-6]：1）实验教学与指导教师承担的科研项目相结合，充分利用实验教学平台和学科的科研平台，结合创新性实验，组织学生参与指导教师承担的各类科研项目，组织学生参加创新性实验，参加教师的课题，使学生在完成教学实验和创新型实验的同时，对本学科的前沿科学问题有一定的直接或间接了解，激发学生的学习热情和科研工作的兴趣，也为未来从事科学研究打下一定的基础；2）实验教学与工程应用相结合，教学实验中心利用自身较
好的仪器及设备条件，结合实验教学内容，承担实际工程，工程的主要测试任务可以由本科生直接承担一部分，在完成教学任务的同时，使学生更加了解实际工程与实验室测试技术的差异以及解决方案，使学生得到实际锻炼。
3 结束语
教学实验中心在各高校越来越多，完善管理运行体系势在必行。实验教学与科学研究互动的教学实验中心管理运行体系，能避免重复建设带来的资金浪费、分散管理带来的资源利用率低下等问题，能实现教学资源的优化配置和资源共享，使实验教学体系与学科建设有机结合，实现大功能、高效益的统一，也有利于培养学生实践能力和创新能力。
参考文献
[1]刁鸣,王松武.实验教学示范中心建设的体会[J].实验技术与管理,2006,23(4):4-6
[2]陈宁宁.高校工科实验室的开放与实验教学模式的改革[J].实验技术与管理,2006,23(4):110-111[3]万长建.高校快速发展期实验室建设与管理的若干问题[J].实验室研究与探索,2005,24(12):133-134
[4]何晓阳,朱利泉,朱亚萍,黄远新.实验教学中心管理模式及运行机制的探索与实践[J].高等农业教育,2005(9):44-45[5]黄联芬,林风燕,王琳.加速实验教学中心建设,促进实验教学改革[J].实验科学与技术,2008,6(4):160-162[6]张玉萍.教学模式与大学生创新能力[J].教育科学,2001(22):7-8
（上接P114）
表2 废气污染物削减情况表
项目废气量（万Nm/a）Cl蒸碱系统熔盐加热炉3 280
17.12漂白粉装置污染物排放量2 280
合计5 56017.12
表3 废水污染物削减情况表
项目
蒸碱系统熔盐加热炉漂白粉装置污染物排放量
合计
废水量（万t/a）
28.828.8
CODcr28.828.8
SS17.2817.28
Cl80.680.6
O3.283.28
NO7.207.20
最佳运行状态，达到节能、降耗、减污、增烟尘
1.68效的作用，真正做到清洁生产，预防污染。
4 结束语
1.68
化清洁生产分析，使生产的每一道工序和每一个环节都处于
参考文献
[1]唐启明.清洁生产在环境影响评价中的应用[J].环境保护,2000(9):14-23[2]魏宗华.工业企业清洁生产评估指标的研究[J].环境保护,2000(6):22-24
（上接P115）
技改项目的环境影响评价要纳入清洁生产分析，在清洁生产分析时要结合工程分析。这样，既有利于清洁生产的推广，又能丰富环评的内容和提高环评的实用性、针对性，使环评更有深度，更具有说服力，这种结合具有巨大的潜在价值。
i234
i234
li (cm)16.62817.11817.614
li (cm)11.58613.79416.000
表1 驻波法测量声速数据（空气中）v测-v理
E＝×100%＝0.26%。li + 4 li + 4－
i + 4谐振频率v理
(cm)l(cm)
114
如表2所示，逐差法求，=?∑li+4?li=4.064(cm)；
24i=1618.5381.910718.9921.874
计算声速，υ=?f=1 505.21(m/s)；声速的理论值（水819.4521.838
表2 驻波法测量声速数据（自来水中）v-v
i + 4 中），v理＝1 460.00(m/s)；相对误差，E＝测理
i + 4li + 4－li(cm)谐振频率v理(cm)×100%=3.10%。619.9368.3504 实验结论721.8428.048
t= 20.0 ℃
823.6967.696
计算声速，υ=?f=346.87(m/s)；声速的理论值（空气中）[2]，v理=331.15
273.15+25
＝345.97(m/s)；相对误差，
273.15
本实验利用驻波法测定超声波的波长，然后应用波速公式υ＝λ·f计算出声速。声速测量结果（在水中、空气中）均在误差允许范围内。
参考文献
[1]吴锋,王若田.大学物理实验教程[M].北京:化工工业出版社,2003[2]刘培姣.驻波法测超声波的波速[J].大学物理实验,2006(6)
20xx年8月下 第21期（总第174期）