聲速的測(cè)定資料

1、聲速(shn s)的測(cè)定 主講(zhjing)：王心華Tel學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心共二十一頁 聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的一種機(jī)械波、縱波，其在媒質(zhì)中的傳播速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)等因素有關(guān)。 通過媒質(zhì)中聲速的測(cè)量， 可以了解被測(cè)媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化，因而聲速測(cè)量有非常廣泛的應(yīng)用，如無損檢測(cè)、測(cè)距和定位、測(cè)氣體(qt)溫度的瞬間變化、測(cè)液體的流速、測(cè)材料的彈性模量等。 頻率低于20Hz的聲波(shn b)稱為次聲波； 頻率在20Hz-20kHz的聲波可以被人聽到，稱為可聞聲波； 頻率在20kHz以上的聲波稱為超聲波。共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)目的1.學(xué)習(xí)測(cè)量超聲波在空氣中的傳播

2、速度的方法。2.加深對(duì)駐波和振動(dòng)合成等理論知識(shí)的理解。 3.了解壓電換能器的功能和培養(yǎng)綜合(zngh)使用儀器的能力。 學(xué)會(huì)用逐差法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)原理由波動(dòng)理論可知，聲速、聲源的振動(dòng)頻率和聲波波長間的關(guān)系為 v = f如果聲波在媒質(zhì)(mizh)中 t 時(shí)間內(nèi)傳播的距離為 L，則聲速為 v = L/t聲速的大小與聲波的頻率無關(guān)，僅決定于媒質(zhì)的性質(zhì)，溫度是影響空氣中聲速的主要因素。在溫度為t時(shí)，干燥空氣的聲速為由于空氣實(shí)際上并不是干燥的，總含有一些水蒸汽，經(jīng)過對(duì)空氣摩爾質(zhì)量和比熱比的修正，在溫度為t 0C、相對(duì)濕度為 的空氣中，聲速為Ps為t0C時(shí)空氣的飽和蒸汽壓 共二十

3、一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)裝置共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)方法1共振(gngzhn)干涉法 圖中S1和S2，為壓電陶瓷超聲換能器，S1作為超聲源(發(fā)射)，低頻信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦電壓信號(hào)接到換能器后，即能發(fā)出一平面聲波。S2作為超聲波的接收頭，接收的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入示波器觀察，S2在接收超聲波的同時(shí)還反射一部分超聲波。 共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)方法 由聲源(shn yun)發(fā)出的平面波經(jīng)前方垂直于x軸的剛性平面反射后，反射波與入射波發(fā)生干涉而形成駐波，即兩列反向傳播的同頻率行波的疊加，設(shè)兩列行波為：（復(fù)數(shù)表示）邊界條件為于是解出待定常數(shù)A和B，就得駐波的表達(dá)式（取實(shí)部后）對(duì)于某一確定的l，滿足

4、sink(l-x)=1處，振幅最大，波腹?jié)M足sink(l-x)=0處，振幅最小，波節(jié)共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)方法在駐波場(chǎng)中，空氣質(zhì)點(diǎn)位移的圖像不能直接觀察到，而聲壓卻可以通過儀器加以觀測(cè)。聲壓是空氣中由于聲擾動(dòng)而引起的超出(choch)靜態(tài)大氣壓強(qiáng)的部分聲壓駐波可以表示為將空氣質(zhì)點(diǎn)的位移駐波表達(dá)式與聲壓駐波表達(dá)式加以比較，可以知道：在聲場(chǎng)中空氣質(zhì)點(diǎn)位移為波腹的地方，聲壓為波節(jié)；而空氣質(zhì)點(diǎn)位移為波節(jié)的地方，聲壓為波腹。在作為反射面的剛性平面處，空氣質(zhì)點(diǎn)的位移恒為零，聲壓恒為波腹，其振幅為共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)方法當(dāng)l改變時(shí)，剛性平面(pngmin)處聲壓振幅也改變，且根據(jù)p(l)隨l周期變

5、化的原理，可求出半波長按實(shí)驗(yàn)原理圖將儀器接好，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的頻率f （約40KHz使激發(fā)換能器處于諧振狀態(tài)。調(diào)整激發(fā)換能器和接收換能器平面的距離l，使得兩換能器平面之間的空氣形成駐波，示波器產(chǎn)生共振現(xiàn)象，記錄示波器所顯示的信號(hào)幅度連續(xù)20個(gè)極大值，采用逐差法處理數(shù)據(jù)。共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)方法共二十一頁結(jié)論：每兩個(gè)(lin )相臨波腹（波節(jié)）間的距離為實(shí)驗(yàn)(shyn)方法共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)方法2相位(xingwi)比較法 從S1發(fā)出的正弦波與S2收到的正弦波之間的相位差為 =t =2f/v=2 l /S1與S2之間變化一個(gè)波長，相位差變化，示波器上所觀察到的李薩如圖隨之變化一個(gè)周

6、期。共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)方法同時(shí)將信號(hào)源發(fā)射端接入示波器的X軸、反射(fnsh)端接入示波器的Y軸，示波器采用X-Y掃描、這時(shí)示波器將顯示一橢圓或直線。當(dāng)移動(dòng)接收換能器時(shí)將會(huì)發(fā)現(xiàn)：不僅橢圓的幅值大小會(huì)隨發(fā)射接收的距離l發(fā)生變化，而且橢圓的相位亦發(fā)生變化。利用李薩如圖形找出同相（=0）或反相（=）時(shí)橢圓退化為右斜或左斜直線，調(diào)整接收器的位置，注意屏幕上出現(xiàn)的橢圓相位（例如=0或=），繼續(xù)移動(dòng)接收換能器、直到橢圓或直線的相位完全重復(fù)上述橢圓或直線的相位、這時(shí)所移動(dòng)距離恰好為一個(gè)波長，為使測(cè)量值更加準(zhǔn)確，可多移動(dòng)幾個(gè)波長。采用逐差法處理數(shù)據(jù)。共二十一頁接X通道,接Y通道，移動(dòng)實(shí) 驗(yàn) 方 法結(jié)論

7、：每次出現(xiàn)重復(fù)圖形得到如下李薩如圖形：移動(dòng)的距離為共二十一頁按實(shí)驗(yàn)裝置圖接線，使發(fā)射頭和接收頭的端面盡量平行共振頻率，調(diào)整函數(shù)發(fā)生器的輸出頻率，使接收頭輸出的電信號(hào)幅度最大共振干涉法測(cè)波長(bchng)，記錄示波器上波形相繼出現(xiàn)20個(gè)極大值所對(duì)應(yīng)的接收頭的坐標(biāo)相位比較法測(cè)波長，記錄示波器上圖形相繼出現(xiàn)20個(gè)相同李薩如圖形時(shí)所對(duì)應(yīng)的接收頭的坐標(biāo)實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容共二十一頁1.逐差法計(jì)算(j sun)波長，得到(d do)超聲波傳播速度2.計(jì)算超聲波在空氣中傳播速度的公認(rèn)值，求出兩種測(cè)量方法得到的v的相對(duì)誤差E3.計(jì)算不確定度數(shù)據(jù)記錄與處理共二十一頁實(shí)驗(yàn)(shyn)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)記錄表格（參考）振幅(z

8、hnf)極值法極大值位置x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10極大值位置x11x12x13x14x15x16x17x18x19x2010倍半波長共二十一頁注意事項(xiàng)1.測(cè)量時(shí)，旋轉(zhuǎn)鼓輪應(yīng)向同一方向(fngxing)旋轉(zhuǎn)，以避免空程誤差。2.電源接通時(shí)，兩超聲換能器不得接觸。3.計(jì)算空氣中聲速的百分偏差時(shí)，空氣中聲速理論值由溫度壓強(qiáng)等計(jì)算。共二十一頁1 逐差法處理數(shù)據(jù)(shj)的優(yōu)點(diǎn)是什么？2 為什么換能器要在諧振頻率條件下進(jìn)行聲速測(cè)量？3 如何用本實(shí)驗(yàn)中的方法測(cè)量聲速在媒質(zhì)（如液體和固體）中的傳播速度？思 考 題共二十一頁補(bǔ)充(bchng)材料 壓電換能器簡介 有些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生形變時(shí)，其表面(biomin)會(huì)產(chǎn)生電荷，去掉外力時(shí)又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)；具有該效應(yīng)的物質(zhì)為壓電材料；利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的換能器叫做壓電換能器。 共二十一頁內(nèi)容摘要聲速的測(cè)定。 頻率在20Hz-20kHz的聲波可以被人聽到，稱為可聞聲波。3.了解壓電換能器的功能和培養(yǎng)綜合使用儀器的能力。在溫度為t時(shí)，干燥空氣的聲速為。由聲源發(fā)出的平面波經(jīng)前方垂直于x軸的。剛性平面反射后，反射波與入射波發(fā)生干涉而。形成駐波(zh b)，即兩列反向傳播的同頻率行波的疊。在駐波(zh b)場(chǎng)中，空氣質(zhì)點(diǎn)位移的圖像不能直接觀察到，而聲壓卻可以通過儀器加