ZKY-SS型声速测定实验仪技术说明书-基础物理实验

§3.1 声速的测量

目的

1．学习用振幅极值法和位相比较法测量声速; 2．初步掌握示波器和信号发生器的使用方法. 仪器及用具

声速测量仪、示波器、信号发生器、频率计等.

实验原理

声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量,它的测量方法可分为两类:一类是测量声波传播的距离s和所需的时间,根据公式s/t计算声速;另一类方法是测量声波的波长和频率,根据公式f计算声速.本实验采用的是后一种方法.

1．振幅极值法

设从发射器(波源)发出的平面波,经过空气传播到距离为s的接收器,如果接收面与发射面平行,入射波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,声压的波腹.当接收面与发射面之间的距离s为/2的整数倍时,其声压的极大值随距离呈周期性变化,相邻两声压极大值之间的距离为/2.因此,若保持频率f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(/2),即可根据

f(3.11)

计算声速.

2．相位比较法

发射波通过空气介质传播到接受器,在同一时刻,发射面与接收面两处振动的相位差为

2s/(3.12)可以看出,当s=n/2（n=1,2,3,）时,得n.实验时,将换能器A与示波器X轴输入端相连,调整接收器与发射器之间距离,在屏幕上可以观察到两个同频率、振动方向垂直的合振

=0

=/2

=

=3/2

=2

图3.1-1 同频率相互垂直的振动合成

动图形,即利萨如图形(图3.1-1).因此,通过

改变发射器与接收器之间的距离,可以观察到相位的变化.当相位差改变时,接收器与发射器之间距离s的改变量即为半个波长,由波长和频率的数值,按公式(3.1-1)计算声速.

3．理想气体中的声速

1

声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程,声速可表示为

RT(3.13)式中cp/cV为气体的比热容比,R8.314J/(molK)为摩尔气体常量,为气体的摩尔质量,T为气体的绝热温度,若按摄氏温度t计算,T0=273.15K,T=T0+t,则(3.1-3)式可以改写为

RT01(1)T0Rt1273.15273.15

00.6t(3.14)

式中0是0C时的声速,对于空气媒质,0=331.45m/s.由(3.1-4)式可以算出任一温度下的声速的理论值.

实验内容

1．调整测试系统的谐振频率

按图3.1-2连接电路.调节测试系统谐振频率的目的是,使接收器在谐振频率下能接收到最大的信号电压.调节方法是先将两换能器的发射面与接收面靠近,并将两面调节成 平行.调节信号源的输出频率,使示波器上的电压信号达到最大值,以便大致确定测试系统的谐振频率.然后,将两换能器缓慢地分开(间距约5cm),调节信号源频率和移动接受器的位置,使示波器上的信号电压再次达到最大值.此时,信号源的输出频率才最终等于换能器的固有频率,在该频率下换能器能够发射或接收较强的超声波.

2．用振幅极值法测声速

在谐振频率下,调节接收器的位置,测出连续i个极大值时接收面的位置si,用逐差法求波长值.

3．用相位比较法测声速

将接收器B与示波器Y轴相连,发射器与示波器的X轴相连,即可利用利萨如图形观察发射波与接收波的位相差.注意利萨如图形由斜率为正(或负)变为斜率为负(或正),位相差变化.因此,记录接收面位置时,应选择利萨如图形为直线时所对应的位置.测出连续出现i条直线时接收面的位置si,用逐差法求波长值.

4．计算室温下声速的理论值

记录室温,计算声速的理论值,与测量值比较,分析测量结果. 思考题

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示波器

压电陶瓷超声换能器

频率计

s

游标卡尺 信号发生器

图3.1-2

1．换能器在实验中起什么作用?本实验为什么要先调节换能器的工作频率?怎样调整谐振频率?

2．用振幅极值法测声速,接收器在移动过程中,当示波器显示波形极大和极小时,接收器所在位置的介质质点振动位移和声压各处于什么位置?

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