大学物理实验系列-空气中的声速测量讲义课件.ppt

1、声速的测量物理实验中心实实 验验 目目 的的 1、学会用振幅法何位相法测定空气、学会用振幅法何位相法测定空气 中的声速中的声速2、学习数字式函数发生器、示波器、学习数字式函数发生器、示波器 的使用的使用3、了解声速测量的应用和发展、了解声速测量的应用和发展 目 录一、声速的特点一、声速的特点二、声速的实验原理二、声速的实验原理三、声速的测量原理三、声速的测量原理1.1.振幅法振幅法 2.2.相位法相位法 四、实验仪器四、实验仪器五、实验内容及现象五、实验内容及现象六、有关声波研究的应用和发展六、有关声波研究的应用和发展1.1.声速测量仪声速测量仪2.2.传感器传感器3.3.示波器示波器4.4.

2、信号发生器信号发生器一、声速的特点 频率在频率在2020000Hz的声振动在弹性媒质中所的声振动在弹性媒质中所激起的纵波称声波。声波是一种机械波。频率超过激起的纵波称声波。声波是一种机械波。频率超过20000Hz的声波称为超声波。的声波称为超声波。声波的频率、波长、速声波的频率、波长、速度、相位等是声波的重要特性。度、相位等是声波的重要特性。RTv 声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决于空气本身的性质，因此有取决于空气本身的性质，因此有-绝热系数，绝热系数，R-摩尔气体常数，摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质空气分子的摩尔质量，量，T-绝对温度

3、绝对温度下一页15.273t15.27345.331tv 由此可见，气体中的声速由此可见，气体中的声速 v 和温度和温度 T 有关，还与比热有关，还与比热比比 及及摩尔质量摩尔质量 有关，后两个因素与气体成分有关。因有关，后两个因素与气体成分有关。因此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。在标准状态下，在标准状态下，0 oC时，声速为时，声速为 vo331.45ms，显，显然在然在 t oC时，干燥空气中声速的理论值应为时，干燥空气中声速的理论值应为 由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播

4、的速度是不同的不同的。返回返回二、实验原理 本实验是对超声波波速的测量。测量声速最简单、本实验是对超声波波速的测量。测量声速最简单、最有效的方法之一是利用声速最有效的方法之一是利用声速v、振动频率、振动频率 f 和波长和波长 之之间的基本关系，即间的基本关系，即 v=f 测出声振动频率测出声振动频率 f 和声波的波长和声波的波长，就可算出声波，就可算出声波的波速的波速 v。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。实验室中常利用，用实验室中常利用，用振幅法振幅法、相位法相位法测定波长测定波长，由，由函数发生器或示波器直接读出频率函数发生器或示波器直接读出频率 f。1.

5、振幅法 振幅法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平振幅法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射,并并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处于波腹。于波腹。位移声压S1S2三、测量原理返回返回2.相位法波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。波是振动状态的传播，也

6、可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同(同相同相:相相位差为位差为0)或者说其相位差为或者说其相位差为2的整数倍时两点间的距的整数倍时两点间的距离应等于波长离应等于波长的整数倍，即的整数倍，即 l=n (n为一正整数为一正整数)利用这个公式可测量波长。利用这个公式可测量波长。相位法又可分为相位法又可分为行波法行波法和和李萨如图形法李萨如图形法。下一页行波法 将发射信号和接收信号同时输入到示波器，此将发射信号和接收信号同时输入到示波器，此时示波器上同時顯示的發送和接收電信号。当改变时示波器上同時顯示的發送和接收電信号。当改变两个换能器之间

7、的距离时，发送信号不变，而接收两个换能器之间的距离时，发送信号不变，而接收电信号（正弦波）的幅值和位置均发生变化，当接电信号（正弦波）的幅值和位置均发生变化，当接收电信号的位置与发射信号的位置前后两次重合时收电信号的位置与发射信号的位置前后两次重合时接收器走过的距离，就是信号的波长。接收器走过的距离，就是信号的波长。1x2x12xxl下一页李萨如图法位相法的另一种测量方法是李萨如图法位相法的另一种测量方法是李萨如图法当两路信号同时输入输入示波器时，荧光屏上当两路信号同时输入输入示波器时，荧光屏上将显示出两个同频率相互垂直的谐振动的叠加将显示出两个同频率相互垂直的谐振动的叠加图形图形李萨如图李萨

8、如图24434547223012两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长 。返回返回三、实验仪器 本实验使用的仪器主要有：声本实验使用的仪器主要有：声速测量仪、速测量仪、函数发生器和示波器。函数发生器和示波器。声速测量仪声速测量仪由：超声压电陶瓷由：超声压电陶瓷换能器换能器、带有标尺的底座和读数装置、带有标尺的底座和读数装置构成，用来作声压与电压之间的转换，构成，用来作声压与电压之间的转换，以及波长的测量。以及波长的测量。函数发生器函数发生器用来产生超声波；用来产生超声波；示波器示波器用来观察超声波的振幅、用来观察超声波的振幅、相位和频率。相位和频率

9、。1.声速测量仪读数装置压电陶瓷换能器手轮底座返回返回传感器及它的内部结构 传感器是物理实验中常用的间接测量元件。本实验传感器是物理实验中常用的间接测量元件。本实验中使用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来中使用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来产生机械振动并在空气中激发出超声波。另一个用来接收产生机械振动并在空气中激发出超声波。另一个用来接收振动，同时电输出端产生相应的电信号。振动，同时电输出端产生相应的电信号。下一页 传感器内部结构 压电陶瓷片电输入或输出端铝外壳返回返回示波器 返回返回返回返回四、实验内容及现象2、利用共振驻波法测量声速、利用共振驻波法测量声速3、利用行波法测量声速、利用行波法测量声速4、利用李萨如图法测量声速、利用李萨如图法测量声速1、谐振频率的调整、谐振频率的调整4 4、利用李萨如图法测量声速、利用李萨如图法测量声速返回返回保持刚才的接线，水平显示选择保持刚才的接线，水平显示选择X-Y，当改变，当改变换能器之间的距离时换能器之间的距离时