36声速测量

36声速测量 实验三十六 声速的测量 声波是一种能在弹性媒质中传播的机械波。通过声速的测量，可研究声波在媒质中传播的特性，了解被测媒质的性质、状态及变化等。测声速的原理还可直接或间接地运用于制造各种测量仪器、遥控开关、自动控制仪等方面。测声速是一个综合性的实验，可加深对振动及波动的理解，进一步熟悉示波器等一些电子仪器的使用。 实验目的 1(了解声波的产生、传播特性，加深对波的几个特征量的理解; 2(学会用驻波法和相位比较法测定空气中的声速; 3(进一步熟悉示波器等仪器的使用。 实验原理 声波是由声振动源产生的，它以纵波的形式在弹性媒质中传播。声波在空气中的传播速度公式为 RT, ? v, , ,,CC/式中为空气的比热比，R为摩尔气体常数，μ为混合空气的摩尔质量，pv -1T为绝对温度。在标准状态下的声速为v,33145.m)s。 0 波速、频率和波长之间的关系是 ? vf,,, 若用实验方法测出声波的频率f和波长λ，就可求出声速v。 本实验用频率超过20000Hz的超声波，具有频率高、波长短、方向性强、且不受一般音频信号干扰等特点。 测波长的方法有两种，一是驻波法(又称干涉法)，二是相位比较法(又称行波法)。分述如下: 1(驻波法 由波动理论可知:若振动方向、振幅和频率都相同的两列简谐波沿轴的正反两个方向传播时就会形成驻波。驻波相邻的两个波腹或相邻的两个波节之间的距离恰好等于半波长,2。在声波的驻波中，波腹点声压最小，而在波节处声压最大。声速测定仪就是依据这些重要特性，用一个压电超声换能器发射声波，而在其正对面有个相同的压电超声换能器作为接收器，如图36-1所示。接收器B的端面严格平行于发射器,的端面，为的是既能接收声波又能反射回去一部分声波。210 超声波在A、B间往返反射，相互干涉形成驻波。若固定A，移动B的位置，则接收器B上的信号极大值将周期性地出现。从一个极大值变到另一个极大值时， L AB λ 图36-1 压电超声换能器 表明B从一个波节处移到了另一个波节处，此时B移动的距离满足半波长的整数倍，即 ,,,,,123？,lnn,, ? 2 只要准确记录各波节的位置，就可算出波长λ。 2(相位比较法 声波从A端传播到B端，B端的振动将比A端的振动落后一个相位差,,。如果把发射端A的信号引入示波器的Y端，而把从接收端B收到的信号引入X端，于是，相互垂直的两个振动就可以合成1:1李萨如图形。逐渐增加(或减少)A、B之间的距离，就可在示波器上观察到图形总是按斜线、椭圆、圆、椭圆、斜线的规律周期性的变化，见图36-2所示。记下屏上各个完全相同斜线图形 3,,,,,,,,,,,,02,,—,,,—,,22 图36-2 一个周期内图形的变化 出现时B的位置。因某图形出现到相邻的完全相同的图形出现相位恰好经过了一个相位周期2,，此时B的两个位置示值之差就等于波长,。 实验仪器 SBZ-A型超声声速测定仪、信号源、频率计、示波器。 实验内容 1(按图36-3连好电路。如信号源有数字显示，可不用频率计。 211 2(调整发射换能器A上固定卡环的螺丝，使A的发射端平面与游标尺的滑动方向垂直，拧紧卡环螺丝。再把接收器B移近发射换能器A，注意切勿太近以致两换能器端接触，损坏压电晶体。调整B上固定卡环的螺丝，使B的接收端面与A的发射端面严格平行，然后锁 声速测定仪定。 --信 号 源示 波 器 3(把信号源及示波器各旋钮 调到工作位置，经检查后通电开 机。 4(移动B，逐渐加大A、B-频 率 计间的距离，同时观察示波器显示接 图36-3 实验装置布置图收信号幅度达到极大时B的位置。 当第一次出现最大值时，记下B的 n,12位置，然后再依次记录，，则可用逐差法求出,l，并由式?xxxx,,,？23n1 求出,。 5(重新调整A、B两端面的相互位置。仿照前面步骤2，此次只调整B的端面，使之从原来严格平行的位置上稍微偏3:左右，然后锁定。这样A、B间就不能形成驻波，剩下的只是A端发射，B端接收平面简谐行波。 6(把A端信号再接到示波器的“Y轴输入”。调节示波器的X、Y轴衰减和增益旋钮，使示波器上李萨如图形大小和长宽比例适当，便于观察。 7(移动B，逐渐加大A、B间的距离。第一次出现斜率为正的线段时，记下 n,12，然后再依次记录，，也用逐差法求出,。 xxx,,,？x23n1 8(测出声波的频率f。 9(由两种测量法测得的波长值,代入式?分别算出两种方法测得的声速v及测量不确定度U。 v 注意事项 1(注意仔细检查线路、仪器的档次范围，特别是正、负极性切勿弄错。要防止信号源短路，以免烧坏仪器。 2(在实验过程中，信号源发出的信号频率要一直保持不变。 思考题 1(在测量时能否直接取接收换能器B的一个位置的测量值来计算波长λ呢, 2(为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测定, 3(空气的比热比γ值是很重要的物理量，能否通过声速的测量求出γ值, 212