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声速的测量物理实验示范中心主讲：王世亮实验目的1、学会用振幅法何位相法测定空气中的声速2、学习数字式函数发生器、示波器的使用3、了解声速测量的应用和发展目录一、声速的特点二、声速的实验原理三、声速的测量原理1.振幅法2.相位法四、实验仪器五、实验内容及现象六、有关声波研究的应用和发展1.声速测量仪2.传感器3.示波器4.信号发生器一、声速的特点频率在20～20000Hz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20000Hz的声波称为超声波。声波的频率、波长、速度、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，只取决于空气本身的性质，因此有γ-绝热系数，R-摩尔气体常数，μ-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度下一页15.273t15.27345.331tv由此可见，气体中的声速v和温度T有关，还与比热比γ及摩尔质量μ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。在标准状态下，0oC时，声速为vo＝331.45m／s，显然在toC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不同的。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、最有效的方法之一是利用声速v、振动频率f和波长λ之间的基本关系，即v=fλ测出声振动频率f和声波的波长λ，就可算出声波的波速v。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。实验室中常利用，用振幅法、相位法测定波长λ，由函数发生器或示波器直接读出频率f。1.振幅法振幅法也称驻波法。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,并且叠加。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。位移声压S1S2三、测量原理返回2.相位法波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同(同相:相位差为0)或者说其相位差为2π的整数倍时两点间的距离应等于波长λ的整数倍，即l=nλ(n为一正整数)利用这个公式可测量波长。相位法又可分为行波法和李萨如图形法。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。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图形—李萨如图24434547223012两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长。返回三、实验仪器本实验使用的仪器主要有：声速测量仪、函数发生器和示波器。声速测量仪由：超声压电陶瓷换能器、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，以及波长的测量。函数发生器用来产生超声波；示波器用来观察超声波的振幅、相位和频率。1.声速测量仪读数装置压电陶瓷换能器标尺底座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示波器返回信号发生器函数选择频率范围选择频率微调信号输出开关返回四、实验内容及现象2、利用共振驻波法测量声速3、利用行波法测量声速4、利用李萨如图法测量声速1、谐振频率的调整1、谐振频率的调整改变信号发生器的频率时，看到……返回2、利用共振驻波法测量声速将换能器的接收端接入示波器的CH1通道，当改变换能器之间的距离时……返回3、利用行波法测量声速返回保持刚才的接线，同时将发射波接入CH2,选择触发与发射波同步，当改变换能器之间的距离时……4、利用李萨如图法测量声速返回保持刚才的接线，水平显示选择X-Y，当改变换能器之间的距离时……五、有关声波研究的应用1、声音与我们的生活2、声速测量的目的3、声速测量的发展1、声音与我们的生活自然界中充满了各种各样的声音：收音机里播放的悦耳音乐声，飞机掠过长空时扰人的噪声，狂风的呼啸声，海祷的怒吼声，爽朗的欢笑声，欢畅的交谈声，……等等，在日常生活中处处都可以听到。可见声音与我们的生活是密切相关的。人类对声学的研究最早可以追溯到公元前580年埃及人毕达哥拉斯。而古希腊人亚里士多德接触到声学理论，他持有关于空气的运动性质构成声音的正确思想，并且他还知道，如果管的长度加倍，则管内的振动就要花两倍的时间。下一页今天人们对声音的研究，从语音声学、生理声学、建筑声学、环境声学、水声学、超声学等等，遍及各个领域。牛顿在他的《原理》中对声速作了理论推导，但实验的结果与此并不相符，牛顿推测了实验值和理论值之间不一致的原因。但是，真正的解释是在过了一个世纪之后由拉普拉斯(1749—1827)做的。牛顿没有考虑到由于压缩变热和稀疏致冷引起的弹性变化。特别值得一提的是次声波，次声波指的是频率在0.0001赫兹至20赫兹之间的波。虽然我们的耳朵听不见它，在我们周围由自然和人工产生的次声波也很多。下一页如火山爆发、地震、流星爆炸、极光、雷电、磁暴、台风、龙卷风、晴空湍流、风暴、海浪、电离层扰动、核爆炸、火箭发射、大炮、化学爆炸、飞机、火车、高速行驶中的汽车、某些大型工厂、高楼、风吹过高山等等，都会在一定的条件产生次声波。虽然早在上百年前就首次记录到了次声波，可是人们次对声的认识却没有多大进展。到近二十年来，科学技术有了飞跃的发展，人们对自然界中次声现象及次声传播规律的认识才有了较大提高．它的应用前景是很广阔的，大致可分为下列几个方面：预测自然灾害性事件；通过测定次声波受大气其他波动的影响结果；探测气象运动的性质和规律；生物学以及核爆炸、火箭发射的影响等。返回2、声速测量的目的声学测量和分析是人们认识声学问题本质的一种手段。通过必要的测量和分析可以对声学有定量概念，从而了解其规律性。声学测量通常是指先用电声(或机电)换能器把声波(或振动)转换成相应的电信号，然后用电子仪表放大到一定的电压，再进行测量与分析的技术以及有关声学仪器的工作原理．返回3、声速测量的发展二十世纪以来，声学测量技术发展很快．目前声学仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响应等。过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表，测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了测量时读数的准确度。由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成电路的发展，人们已能用由微处理机控制的自动测量代替逐点测量，使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可以用微计算机实时运算。下一页以微处理机为中心的测量仪器，不但实现了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里叶换算法从而实现了实时分析。同时也出现了一些新的声学测量和分析方法，例如实时频谱分析，声强测量，声源鉴别，瞬态信号分析，相关分析等。今后声学测量的任务是采用新的测量技术，提出新的测量力法，使用自动化数字式仪器，以提高测量的淮确度和速度。回顾历史，可以看到，在发展经典声学的过程中，许多研究工作是直接用人耳来听声音的。直到本世纪，发展了无线电电子学，才使声波的测量采用了电声换能器和电子测量仪器。下一页高性能的测量传声器、频谱分祈仪和声级记录器实现了声信号的声压级测量，频谱分析和声情号特性的自动记录；从而可以测量各种不同频率、不同强度和波形的声波，扩展了声学的研究范围，促进了近代声学的发展。可以期望，计算技术和大规模集成电路的发展，微计算机和微处理机在声学工作中的应用，必将促使近代声学进一步发展．谢谢鲁东大学物理实验示范中心