大學(xué)物理實驗系列-空氣中的聲速測量講義課件

1、聲速的測量物理實驗中心實 驗 目 的 1、學(xué)會用振幅法何位相法測定空氣 中的聲速2、學(xué)習(xí)數(shù)字式函數(shù)發(fā)生器、示波器 的使用3、了解聲速測量的應(yīng)用和發(fā)展 目 錄一、聲速的特點二、聲速的實驗原理三、聲速的測量原理1. 振幅法 2. 相位法 四、實驗儀器五、實驗內(nèi)容及現(xiàn)象六、有關(guān)聲波研究的應(yīng)用和發(fā)展1.聲速測量儀2.傳感器3.示波器4.信號發(fā)生器一、聲速的特點 頻率在2020000Hz的聲振動在彈性媒質(zhì)中所激起的縱波稱聲波。聲波是一種機(jī)械波。頻率超過20000Hz的聲波稱為超聲波。聲波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。 聲波在空氣中的傳播速度與聲波的頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)，因此有-

2、絕熱系數(shù)，R-摩爾氣體常數(shù)，-空氣分子的摩爾質(zhì)量，T-絕對溫度下一頁 由此可見，氣體中的聲速 v 和溫度 T 有關(guān)，還與比熱比 及摩爾質(zhì)量 有關(guān)，后兩個因素與氣體成分有關(guān)。因此，根據(jù)測定出的聲速還可以推算出氣體的一些參量。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0 oC時，聲速為 vo331.45ms，顯然在 t oC時，干燥空氣中聲速的理論值應(yīng)為 由此我們也可以想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是不同的 。 返回二、實驗原理 本實驗是對超聲波波速的測量。測量聲速最簡單、最有效的方法之一是利用聲速v 、振動頻率 f 和波長 之間的基本關(guān)系，即 v=f 測出聲振動頻率 f 和聲波的波長 ，就可算出聲波的波速 v。當(dāng)然這僅

3、僅是一種最簡便的近似測量。 實驗室中常利用，用振幅法、相位法測定波長 ，由函數(shù)發(fā)生器或示波器直接讀出頻率 f。 1. 振幅法 振幅法也稱駐波法。發(fā)射器發(fā)出的聲波近似于平面波。經(jīng)接收器反射后，波將在兩端面間來回反射,并且疊加。當(dāng)兩個換能器之間的距離等于半波長的整數(shù)倍時發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達(dá)到極大。由縱波的性質(zhì)可以證明，振動位移處于波節(jié)時，則聲壓是處于波腹。 位移聲壓S1S2三、測量原理返回2. 相位法波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態(tài)相同(同相: 相位差為0)或者說其相位差為2的整數(shù)倍時兩點間的距離應(yīng)等于波長的整數(shù)倍，即 l = n (n為一

4、正整數(shù)) 利用這個公式可測量波長。相位法又可分為行波法和李薩如圖形法。下一頁行波法 將發(fā)射信號和接收信號同時輸入到示波器，此時示波器上同時顯示的發(fā)送和接收電信號。當(dāng)改變兩個換能器之間的距離時，發(fā)送信號不變，而接收電信號（正弦波）的幅值和位置均發(fā)生變化，當(dāng)接收電信號的位置與發(fā)射信號的位置前后兩次重合時接收器走過的距離，就是信號的波長。下一頁李薩如圖法位相法的另一種測量方法是李薩如圖法當(dāng)兩路信號同時輸入輸入示波器時，熒光屏上將顯示出兩個同頻率相互垂直的諧振動的疊加圖形李薩如圖兩個同斜率直線所對應(yīng)的傳感器間距為一個波長 。返回三、實驗儀器 本實驗使用的儀器主要有：聲速測量儀、 函數(shù)發(fā)生器和示波器。聲速測量儀由：超聲壓電陶瓷換能器、帶有標(biāo)尺的底座和讀數(shù)裝置構(gòu)成，用來作聲壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換，以及波長的測量。函數(shù)發(fā)生器用來產(chǎn)生超聲波； 示波器用來觀察超聲波的振幅、相位和頻率。1.聲速測量儀讀數(shù)裝置壓電陶瓷換能器手輪底座返回傳感器及它的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 傳感器是物理實驗中常用的間接測量元件。本實驗中使用的傳感器是由壓電陶瓷片構(gòu)成的，其中一個是用來產(chǎn)生機(jī)械振動并在空氣中激發(fā)出超聲波。另一個用來接收振動，同時電輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。 下一頁 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外殼返回示波器 返回返回四、實驗內(nèi)容及現(xiàn)象2、利用共振駐波法測量聲速3