大学物理实验——声速测量(2013)讲解

物理与电子科学学院声速的测量物理与电子科学学院声波是一种在弹性介质中传播的机械波。20KHz20Hz次声波可闻声波超声波物理与电子科学学院医学检查声纳声速的测量在定位、探伤、测距等应用中具有十分重要的意义。工业检测探测器裂纹物理与电子科学学院一、实验目的1、学习用共振干涉法和相位比较法测定空气中的声速。2、学习用时差法测量固体中的声速。3、了解压电换能器的功能及超声波的产生、发射、传播和接受原理。4、进一步熟悉示波器的使用。物理与电子科学学院物理与电子科学学院RTv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-绝对温度二、实验原理由此可见，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。物理与电子科学学院15.273t15.27345.331tv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。物理与电子科学学院测量声速最简单、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，即信号发生器驻波法和行波法本实验是对超声波波速的测量。fv物理与电子科学学院驻波：具有相同频率、相同振幅和相同振动方向的两列波在同一直线上沿相反方向传播时叠加形成的波。相邻两波节或两波腹间的距离就是半个波长。1、共振干涉法——驻波法物理与电子科学学院超声发生器S1发出的声波，经空气传播到接收器S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果S2与S1严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，当S1和S2之间的距离L满足下式：L=n/2（n=1、2..）时，形成驻波。S1发射S2反射LL声压驻波分布声压2/2/2/2/2/物理与电子科学学院2、相位比较法——行波法相位法是指比较声源处的声压与接收处的声压的相位来测定声速的方法。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，即相位延迟量与传播的距离有：L2物理与电子科学学院43024如果将发射端和接收端输出的电信号分别分别输入到示波器，显示出李萨如图形。移动S2的过程中，图形从斜率为正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。相位差相差π，S2移动的距离为λ/2，由此也可计算出波长。物理与电子科学学院１.调节信号源的输出频率等于压电陶瓷的固有频率，达到驻波共振状态。记录此时的频率,即为共振频率f共。２.共振干涉法测声速(介质为空气):示波器置于观察波形状态,将S2由近(靠近S1)及远,逐次记下各振幅最大时S2的位置读数:x0,x1,x2,…x9。３.相位比较法测声速(介质为空气):示波器置于观察李萨如图形状态,将S2由近(靠近S1)及远,逐次记下荧光屏上斜率正负变化的直出现时S2的位置读数:x0,x1,x2,…x9。４.时差法测声速（固体介质）选取三种长度的铜棒或有机玻璃棒。（扩展内容，选做）三、实验内容物理与电子科学学院注意事项1.共振干涉法测量声速时，应尽量在最大值位置处测量；2.注意避免声速测定仪的回程差。物理与电子科学学院1.逐差法计算波长，得到超声波传播速度。2.计算超声波在空气中传播速度的公认值公认v，求出两种测量方法得到的v的相对误差E0/45.331TTv公认%100测量公认测量vvvE2fu2λuvf51i2iλAB2B2Aλfλvu30.001KHz/3/Δu155/λλSu,30.02mm/3/Δu,uuu仪仪3.计算不确定度四、数据处理