声速的测量1
需积分: 0 19 浏览量
2022-08-08
21:32:03
上传
评论
收藏 16KB DOCX 举报
一、实验目的
（1)掌握简谐振动的定义及振动合成的基本规律，加强对驻波理论的理解。
（2)学习使用示波器和信号发生器，掌握共振频率的选择规则。
（3)学会用共振干涉法和位相法测量超声波在空气中的传播速度。
（4)扩展学习超声波在医用 B 超、超声洗牙机、超声探测器、超声碎石机、超声驱蚊
机、超声测距仪等领域的应用。
二、实验原理
用共振干涉法和位相比较法，测量频率 f 和波长 λ 来计算声速。
1.实验装置
声速测量仪主要由支架、游标卡尺和两只超声波压电换能器组成。两只超声波压电换能
器的位置分别与游标卡尺的主尺和游标相对定位，所以两只超声波压电换能器相对位置间
距离的变化量可在游标卡尺上直接读出；两只超声波压电换能器，一只为发射超声波换能
器（电声转换），另一只为接收超声波换能器（声电转换），其结构完全相同。发射器的
平面端面用来产生平面超声波，接收器的平面端面则为超声波的接面。超声波压电换能器
工作在超声范围，能保持实验室安静，而且发射的是单方向的平面超声波，方向性强，超
声波的声强随距离的增加衰减较小。
实验仪所用支架的结构采用了减震措施，能有效隔离两只超声波压电换能器间通过支架
而产生的机械振动耦合，从而避免了由于超声波在支架中传播而引起的测量误差。
2.共振干涉法（驻波法）
实验时将信号发生器输出的正弦电压信号接到发射超声波换能器上，发射超声波换能器
通过电声转换，将电压信号变为超声波，以超声波形式发射出去。接收超声波换能器通过
声电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观察。
由声波传播理论可知，从发射超声波换能器发出一定频率的平面声波，经过空气传播，
到达接收超声波换能器。如果接收面和发射面严格平行，即入射波在接收面上垂直反射，
则入射波与反射波相互干涉形成驻波。此时，两只换能器之间的距离恰好等于其声波半波
长的整数倍。
在声驻波中，波腹处声压最小，波节处声压最大。接收换能器的反射界面处为波节，声
压效应最大。所以可从接收超声波换能器端面声压的变化来判断超声波驻波是否形成。移
动卡尺游标，改变两只换能器端面的距离，在一系列特定的距离上，媒质中将出现稳定的
驻波共振现象。此时，l 等于半波长的整数倍，只要我们监测接收超声波换能器输出电压
幅度的变化，记录下相邻两次出现最大电压数值时卡尺的读数（两读数之差的绝对值等于
超声波波长的 1/2),则根据公式 v=λf 就可算出超声波在空气中的传播速度。其中超声波
的频率由信号发生器直接读得。为提高测量精度，应充分使用整个卡尺行程，尽可能多地
取得产生驻波时的卡尺读数，然后将所得的数据用逐差法进行处理，最后得到更为准确的
声波波长。
3.位相比较法（行波法）
声波波源振动时，将带动周围的空气质点振动。发射面向前运动时，使得前面的空气变
得稠密；发射面向后运动时，使前面的空气变得稀疏。通过空气质点间的相互作用，这种
疏密状态由声波波源向外传播，形成波动过程。在声波传播方向上，所有质点的振动位相
逐一落后，各点的振动位相又随时间变化，但它们的振动频率与声源相同。因此，声场中
任一点与声源间的位相差不随时间变化。声波波源和接收点存在着位相差，而这位相差则
可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦交变电压信号的位相关系
资源评论
