1 声速测量综合实验

实验简介实验原理实验目的实验内容仪器及调整实验数据预习题思考题【实验简介】声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，由于其振动方向与传播方向一致，故声波是纵波。振动频率在20Hz～20KHz的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超过20KHz的声波称为超声波。声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量。由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量。【实验目的】1.用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速；2.研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象；3.对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。【实验原理】声波在现代科技中泛指机械振动的传播。它的传播速度与介质和温度等因素有关，而与振源频率无关。在弹性介质中，由机械振动所激起的波称为声波。人耳能听到的声波的频率在20Hz～20000Hz之间。频率超过20000Hz称为超声波，低于20Hz称为次声波。1、共振干涉法设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器，如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反射面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳定的驻波共振现象。此时，等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。在移动接收器的过程中，相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此，若保持频率υ不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离λ/2，就可以用V=υλ计算声速。2、相位比较法发射波通过传声媒质到达接收器，所以在同一时刻，发射处的波与接收处的波的相位不同，其相位差Ψ可利用示波器的李萨如图形来观察。Ψ和角频率ω、传播时间t之间有如下关系：Ψ=ωt,同时有ω=2π/T，t=L/V,λ=TV,可得Ψ=2πL/λ。而当相位差改变π时，相应的距离L的改变量即为半个波长。由波长和频率值可求出声速。相位差为θ=2πΔx/λ04243图1用李萨如图形观测相位的变化3、声波的干涉、衍射和反射。利用双缝干涉实验。对于不同的角，如果从双缝到接收器的波程差是零或波长的整数倍，就会产生相长干涉，因而观察到干涉强度的极大值；当波程差是半波长的奇数倍时，干涉强度有极小值。因此，干涉强度出现极大值与极小值的条件如下：极大值：dsinα=nλ(4)极小值：dsinα=(n+1/2)λ(5)式中，n为零或整数，d为二个缝中心位置的距离，为声音的波长。4、理论公式:式中v0=331.45m/s，为T0=273.15K时的声速，T=t+273.15K15.27315.27300tvTTvvOS【实验仪器】仪器主要由三部分组成：声速测定装置、正弦信号发生器和示波器。【实验内容】1、调整测试系统的谐振频率按图将实验装置接好。正弦波的频率取40KHz，调节接收换能器尽可能近距离，且使示波器上的电源信号为最大。然后，将两个换能器分开稍大些距离（约6-7cm），使接收换能器输入示波器上的电压信号为最大（近似波节位置）。再调节频率，使该信号确实为该位置极大值。最后，细调频率，使接收器输出信号与信号发生器信号同相位。此时信号源输出频率才最终等于二个换能器的固有频率。在该频率上，换能器输出较强的超声波。2、在谐振频率处用共振法和相位法测声速。当测得一声速极大值后，连续地同一方向移动接收端的位置，测量相继出现20个极大值所相应的各接收面位置，再求波长值。iL在用相位比较法时，将接收器与示波器的Y轴相连，发射器与示波器X轴相连，即可利用李萨如图形来观察发射波与接收波的相位差，适当调节Y轴和X轴灵敏度，就能获得比较满意的李萨如图形。对于两个同频率互相垂直的简谐振动的合成，随着两者之间相位差从0--π变化，其李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆，再由椭圆变到斜率为负的直线。记录游标卡尺上读数时，应选择李萨如图形为直线时所对应的位置。每移动半个波长，就会重复出现斜率正负交替的直线图形。3、将上述两种方法的测量结果比较，计算与理论值的相对偏差。【实验数据】1.共振干涉测量声速f=Hz求平均声速，并与理论声速作百分误差比较标尺读数/mm隔项相减Li+10-Li/mm12345678910L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10/11121314151617181920L11L12L13L14L15L16L17L18L19L20L11-L1=L12-L2=L13-L3=L14-L4=L15-L5=L16-L6=L17-L7=L18-L8=L19-L9=L20-L10=表1共振法测声速数据处理f=2相位法测量声速f=Hz求平均声速，并与理论声速作百分误差比较表2相位法测声速数据处理f=标尺读数/mm隔项相减Li+4-Li/mm1234L1L2L3L4/5678L5L6L7L8L5-L1=L6-L2=L7-L3=L8-L4=【思考题】【预习题】1、声波与光波、微波有何区别？2、为何在声波形成驻波时，在波节位置声压最大，因而接收器输出信号最大？3、为何换能器的面要互相平行？不平行会产生什么问题？1．实验时怎样找到换能器的谐振频率？2．什么是逐差法？它的优点是什么？在什么情况下使用？