3
声速测定
声速测量的常用方法有两类：第一类是测量声波传播距离l 和时间间隔t ，然后根据公式
t l v /=计算声速v （时差法）
；第二类是测出频率f 和波长λ，再计算声速v 。本实验采用第二类测量方法。
【实验原理】
由于超声波具有波长短、易于定向发射和不可闻等优点，所以在超声波段测量声速是比较方便的。超声波的发射和接收一般是通过电磁振动和机械振动的相互转换来实现的，主要是利用压电效应和磁致伸缩效应。本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换。 当换能器的压电晶体的固有频率与外界信号频率一致时就会产生谐振，此时压电陶瓷换能器能够较好地进行声能与电能的相互转换，可以获得最大的声波压强。所以实验时应调节信号发生器的输出频率（34.0~36.0kHz ），使其与换能器谐振（示波器上信号幅度最大），此时的频率即为压电陶瓷的谐振频率。
1. 驻波法（共振干涉法）
实验原理如图所示。S 1、S 2为压电陶瓷换能器。S 1装在固定端，接受器S 2可以移动。带有功率输出的信号发生器产生的超声频率段的正弦交变电压信号接在S 1上，使S 1产生受迫振动，向周围空间定向发出一近似的平面波。S 2为接收换能器，它接收到声波后产生与声源同频率的电振动。当S 1和S 2的表面互相平行时，声波就在两个平面间往返，形成驻波。当两个换能器之间的距离l 为半波长的整数倍时，出现稳定的驻波共振现象，声压波幅最大。在接收器的反射面处是振幅的“波节”位置，同时是声压的“波腹”位置，即该处位移为零，声压最大。连续改变l 值，声压波幅将在最大与最小之间周期性的变化。接收器S 2上的电压与该处声压成正比，测量接收器电压随两个换能器距离的变化情况，相邻两次电压最大对应的距离变化就是半波长，由此可以得到波长λ。再根据公式λf v =可直接算出v ，其中声波的频率f 即驱动电压的频率，可从信号发生器面板上直接读出。
2. 行波法（相位比较法）
S 1与S 2处的声波有一定的相位差，当两者距离为l 时，相位差为2l ?πλ=，因此可以通过测量?来求得声速2v lf π?=。连续改变距离l 的值，测出相位差的π2变化，对应的距离变化就是一个波长。
【实验内容与步骤】
1. 驻波法 1）调节信号发生器输出信号的频率，达到与换能器谐振。
2）移动S 2，测出各振幅极大值点S 2对应的位置坐标l ，记录在自制的数据表格中。要求至少记录12组数据，同时记录所对应的信号频率f ，以便采用逐差法处理数据。
3）测试过程中应注意保持S 2与S 1表面的平行。
2. 相位比较法
大学物理实验
4 4 1) 微调S 2方位，使其稍微倾斜于S 1（即S 2不平行S 1），得李萨如图形。
2) 改变S 2的位置，从找到第一个斜线形李萨如图形开始测量，记录S 2的位置坐标。并注意：S 2的第一个位置与S 1之间的距离应不小于4～5cm 。连续移动S 2，每次得到相同的斜线形李萨如图形时，测量对应的S 2的位置坐标，至少测量12组，记录在自制的记录表格中。同时记录所对应的信号频率f 。
【实验注意事项及常见故障的排除】
1. 发射器和接收器不能接触。
2. 数据测量结束时，应立刻读出温度的示数。
【实验数据处理及分析】
1． 应用逐差法分别对两种方法得到的数据进行处理，求得声速v 。
2． 大气中声速与温度、湿度及大气压强有密切关系。在t ＝0℃的干空气中，声速为0m/s v =331.45。根据声学理论，一般条件下的校准声速
为v v '=，式中273.15T t =+为室温，单位为K 。 比较v 与v '，计算相对误差||100%v v E v '-=
?'
。 3． 计算声速v 的相对误差，并分析误差产生的原因。
【实验拓展】 1．测水中或海水中的声速 s
m v 1500=左右，需作何调整?声速与海水温度、盐度和静压力的关系为
Pa 1058.1)35S )(01T .034.1(00029T .0055T .06T .42.1449632-?+--++-+=海水v
T ——温度（℃），S ——盐度（000），Pa ——海水静压力（2m N ） 2．其它液体和气
体中的声速的测量。 ３．驻波法与行波法进行比较，哪个精度高？ ４．压电陶瓷换能器的其它应用？ ５．距离增加时，声压衰减的原因？ ６．声压幅度的衰减是否影响波长的测定？ 7.影响声速的因素？
【思考题】
1. 本实验要求信号源与换能器固有频率一致，在谐振情况下进行测量，为什么？
2. 行波法中，为什么选用斜线形李萨如图形作为观测点？
3. 在驻波法测声速时，要求实验装置中S 1和S 2严格平行，这是为什么？在相位比较法中是否仍然要求S 1和S 2的端面严格平行？请说明。
4. 如何用实验的方法确定谐振频率？
大学物理实验课教案 俸永格（136********） 教学题目：声速的测量 教学对象：10级电子信息班、10动医学班、10级农机班、10级植保班。授课地点：海南大学基础实验楼2610室。 教学重点：让学生了解测量超声波在媒介中传播速度的实验设计思想和实验方法。 教学难点：让学生熟练掌握双踪示波器、SV5/7测试仪、SV8信号源的协调使用并完成两正交信号相位差的多次测量。 一实验目的： （1）加深对驻波及振动合成等理论知识的理解， （2）掌握用驻波法、相位法测定超声波在媒介中的传播速度， （3）了解压电换能器的工作原理，进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示波器观测物理参数的综合运用能力。 二实验仪器： GW-680双踪示波器一台，SV8信号发生器一台,SV7测试仪一台，同轴电缆若干。 三实验原理 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波（频率超过2×104Hz的声波）传播速度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。 （一）驻波法测量声速基本原理 如图所示为两列同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形，其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹（节）
间距X的测量便可实现对波长λ的间接测量，结合对驻波谐振频率f的测量便可间接求算声波的传播速度v。 v = λ×f λ=2X v = 2X×f 原理图示1（驻波法原理图） （二）相位法测量声速基本原理 请同学们自行完成！要求体现以下两个方面的内容！ （1）简谐振动正交合成的基本原理， （2）利用李萨如图形的相位差特点间接测量声速的基本原理。 四实验内容与步骤 （一）驻波法测声速 实验连线图示1（驻波法） （1）了解测试仪的基本结构，调节两个换能器的间距5cm左右。 （2）初始化示波器面板获得扫描线。 （3）按图示1正确连线，将示波器的扫描灵敏度与通道1垂直灵敏度旋钮分别调至适当档位，缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹位置
物理实验报告 一、【实验名称】 超声波声速的测量 二、【实验目的】 1、了解声速的测量原理 2、学习示波器的原理与使用 3、学习用逐差法处理数据 三、【仪器用具】 1、SV-DH-3型声速测定仪段 2、双踪示波器 3、SVX-3型声速测定信号源 四、【仪器用具】 1.超声波与压电陶瓷换能器 频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。 图1 压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器
及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图1为纵向换能器的结构简图。 2.共振干涉法（驻波法）测量声速 假设在无限声场中，仅有一个点声源S1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。 在上述假设条件下，发射波ξ1=Acos （ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射，反射波ξ 2 =A 1cos （ωt+2πx /λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A 1＜A 。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加， 合成波束ξ 3 ξ3=ξ1+ξ2=(A 1+A 2）cos （ωt-2πx /λ)+A 1cos （ωt+2πx /λ) =A 1cos(2πx /λ)cos ωt+A 2cos （ωt - 2πx /λ) 由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx /λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx /λ)呈周期变化的特性。 图4所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx /λ)变化的特征。 图2 换能器间距与合成幅度 实验装置按图7所示，图中S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1和S2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。移动S2位置（即改变S1和S2之间的距离），你从示波器显示上会发现，当S2 在某此位置时振幅有最小值。根据波的干涉理论可以知道：任何 发射换能器与接收换能器之间的距离
实验3-5 声速的测量 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20~20Hz KHz 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。对于声波特性的测量（如频率、波速、波长、声压衰减和相位等）是声学应用技术中的一个重要内容，特别是声波波速（简称声速）的测量，在无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等应用中具有重要的意义。如测量氯气等气体或蔗糖溶液的浓度、橡胶乳液的密度以及测定输油管中不同油品的分界面等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。声速的测量方法可分为两类；第一类方法是根据关系式/L t =v ，测出传播距离L 和所需时间 t 后，即可算出声速v ；第二类方法是利用关系式λf ?v =，从测量其频率f 和波长λ来算出声速v .本实验所采用的共振干涉法和相位比较法属于后者，时差法则属于前者。 声速与声波的频率无关，只决定于弹性介质的性质。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是比较方便的。对声速这一非电量的测量本实验是利用压电陶瓷换能器来进行。 【实验目的】 ①学会用共振干涉法和相位法测量空气中的声速； ②学会使用示波器和信号发生器； ③加强对驻波及振动合成等理论的理解。 【预习思考题】 ①实验中是如何获得超声波的？ ②驻波法和相位法测声速的方法有何异同？ 【实验原理】 声波的传播速度与其频率和波长的关系为 λf ?v = （3-5-1） 测得声波的频率和波长，就可得到声速。 同样，传播速度亦可用/L t =v 表示，若测得声波传播所经过的距离L 和传播时间t ，也可求得声速。 1．超声波与压电陶瓷换能器 超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确地测出声速。本实验超声波的发射和接收采用的是压电陶瓷制成的换能器（探头），它利用压电效应和磁致伸缩效应可以在机械振动与交流电压之间双向换能。声速
声速的测定实验报告 1、实验目的 （1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。 （2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。 （3）学会用逐差法处理数据。 2、实验仪器 超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B 、示波器ST16B 。 3、实验原理 3．1 实验原理 声速V 、频率f 和波长λ之间的关系式为λf V =。如果能用实验方法测量声波的频率f 和波长λ，即可求得声速V 。常用的测量声速的方法有以下两种。 3．2 实验方法 3．2．1 驻波共振法（简称驻波法） S 1发出的超声波和S 2反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的 频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。 驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中， S 1、S 2即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为： Λ Λ3,2,1,2 ==n n L λ （1） 即当S 1和S 2之间的距离L 等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当L 不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。 移动S 2，可以连续地改变L 的大小。由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即 S 2所移过的距离为： () 22 2 11λ λ λ = ? -+=-=?+n n L L L n n （2） 可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L 改变了2λ。此距离2λ 可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据f V ?=λ，就 可求出声速。 3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法） 在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。其轨迹方程为： ()()φφφφ122122122 12 2-=-- ???? ??+???? ??Sin Cos A A XY A Y A X （5） 在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。当相位差 12=-=?φφφ时，由（5）式，得 x A A y 12=，即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线[参见图16—2(a)]。
液体及固体介质声速测量 （陈忠2013301020155 武汉大学物理科学与技术学院） 摘要：本实验用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波在不同介质中的的传播速度，利用声波的传播速度与其频率和波长的关系和声波传播所经过的距离和传播时间的关系可获得声速。 关键词：声速，介质，时差法，相位比较法，共振干涉法。 Abstract: This study measured ultrasonic wave propagation velocity in different media with resonance interferometry, phase comparison method and the difference method, the relationship between distance and travel time relations and the use of acoustic wave propagation velocity of propagation of sound waves and their frequency and wavelength through which can get the speed of sound. Key words: speed of sound, media, time difference, phase comparison method, resonance interferometry. 导言：声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于Hz20的声波称为次声波；频率在kHz20~Hz20 的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在kHz20以上的声波称为超声波。由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。 实验原理： 1.共振干涉法 实验装置如图1所示，图中和为压电晶体换能器，作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当和的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即 (3) 时，发出的声波与其反射声波的相位在处差(n=1，2 ……)，因此形成共振。 因为接收器的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实 验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。 图中各极大之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应的接收器的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。
实验四声速测量 【实验目的】 1．了解超声换能器的工作原理和功能 2．学习不同方法测定声速的原理和技术 3．熟悉信号源和示波器的使用 【实验原理】 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。声波在媒质中传播时，声速，声衰减等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性及状态变化。例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量；气体、液体的比重、成分等参量。 在同一媒质中，声速基本与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。由于超声波具有波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。 声速的测量方法可分为两类： 第一类方法是直接根据关系式V=S／t，测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，称为“时差法”，这是工程应用中常用的方法。 第二类方法是利用波长频率关系式V=f·λ，测量出频率f和波长λ来计算出声速，测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”。 1．压电陶瓷换能器 压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上会产生一定的电场巳它们之间有线性关系E=g·F 。反之，当在压电材料的极化方向上加电压E 时，材料的伸缩形变S与电压E也有线性关系S=a·E，比例系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。本实验采用压电陶瓷超声换能器将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动。压电陶瓷片是换能器的工作物质，它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡，锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属组成的夹心型振子，就构成了换能器．由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩，这样所发射的声波，方向性强，平面性好。每一只换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频率，才能有效的发射(或接收)。实验时用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，二换能器的表面互相平行，且谐振频率匹配。 2．共振干涉(驻波)法测声速 到达接收器的声波，一部分被接收并在接收器电极上有电压输出，一部分被向发射器方向反射。由波的干涉理论可知，两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波，驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅最小的点称为波节，任何两个相邻波腹(或两个相邻波节)之间的距离都等于半个波长。改变两只换 能器间的距离，同时用示波器监测接收器上的输出电压幅度变化，可观察到电压幅度随距离周期性的变化。记录下相邻两次出现最大电压数值时游标尺的读数。两读数之差的绝对值应等于声波波长的二分之一。已知声波频率并测出波长，即可计算声速。实际测量中为提高测量精度，可连续多次测量并用逐差法处理数据。
【实验目的】 1．了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。 2．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。 3．通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。 【实验原理】 在波动过程中波速V 、波长λ和频率f 之间存在着下列关系：λ?=f V ，实验中可通过测定声波的波长λ和频率f 来求得声速V 。常用的方法有共振干涉法与相位比较法。 声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系：t V L ?= ，只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V ，这就是时差法测量声速的原理。 1．共振干涉法（驻波法）测量声速的原理： 当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。对于波束1：)/X 2t cos(A F 1λ?π-ω?=、波束2：()λ?π+ω?=/X 2t cos A F 2，当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：()t cos /X 2cos A 2F 3ω?λ?π?=，这里ω为声波的角频率，t 为经过的时间，X 为经过的距离。由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按()λ?π/X 2cos 变化。如图28.1所示。 压电陶瓷换能器1S 作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器2S 则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。声源1S 发出的声波，经介质传播到2S ，在接收声波信号的同时反射部分声波信号，如果接收面（2S ）与发射面（1S ）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与发射波相干涉形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器2S 处的振动情况。移动2S 位置（即改变1S 与2S 之间的距离），你从示波器显示上会发现当2S 在某些位置时振幅有最小值或最大值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最
实 验 报 告 声速的测量 【实验目的】 1.学会用共振干涉法、相位比较法以及时差法测量介质中的声速 2.学会用逐差法进行数据处理； 3.了解声速与介质参数的关系。 【实验原理】 由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行 声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。 超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常 见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。本实验采用的是压电陶瓷制 成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。 声波的传播速度与其频率和波长的关系为：v f λ=? (1) 由(1)式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。同样，传播速度亦可用 /v L t = (2) 表 示，若测得声波传播所经过的距离L 和传播时间t ，也可获得声速。 1. 共振干涉法 实验装置如图1所示，图中和为压电晶体换能器，作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当和的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L 为半波长的整倍数，即 (3) 时，发出的声波与其反射声波的相位在处差(n=1，2 ……)，因此形成共振。 因为接收器的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。 图中各极大之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只要测出各极大值对应的接收器的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式(1)求得声速。
声速测量实验报告 只有通过实验才能知道结果，那么，下面是我给大家整理收集的声速测量实验报告，供大家阅读参考。 声速测量实验报告1 实验目的:测量声音在空气中的传播速度。 实验器材:温度计、卷尺、秒表。 实验地点:平遥县状元桥东。 实验人员:爱物学理小组 实验分工:张x——测量时间 张x——发声 贾x——测温 实验过程: 1 测量一段开阔地长; 2 测量人在两端准备; 3 计时员挥手致意,发声人准备发声; 4 发生人向上举手,同时发声,计时员计时(看到举手始,听到声音止) 5 多测几次,记录数据。 实验结果: 时间17∶30 温度21℃
发声时间 0.26″ 发声距离 93m 实验结论:在21℃空气中,声音传播速度为357.69m/s. 实验反思:有一定误差,卡表不够准确。 声速测量实验报告2 一实验目的： (1)加深对驻波及振动合成等理论知识的理解， (2)掌握用驻波法、相位法测定超声波在媒介中的传播速度， (3)了解压电换能器的工作原理，进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示波器观测物理参数的综合运用能力。 二实验仪器： 双踪示波器一台，信号发生器一台,测试仪一台，同轴电缆若干。 三实验原理 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波(频率超过2×10Hz 的声波)传播速度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。 (一)驻波法测量声速基本原理 如图所示为两列同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形，其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹(节)间距X的测量便可实现对波长λ的间接测量，结合对驻波谐振频率f的测量便可间接求算声波的传播速度v。 v = λ × f λ=2X v = 2X × f
声速的测定 【目的与任务】 1. 学习两种测定超声波在空气中传播速度的方法； 2. 了解压电传感器的功能，熟悉示波器与信号源的使用； 3. 加深驻波及振动合成的理解。 【仪器与设备】 声速测定仪，信号发生器，示波器，同轴电缆，温度计 1．示波器 GDS—1102A—U型数字存储示波器：频带宽度为0～100 MHz。有两垂直输入通道“CHl”和“CH2”，可同时显示两个不同的电压信号波形以便进行分析比较，也可以把两个信号相加或相减后显示出来，还可以任选一个通道单独工作。可以从显示屏上直接测出或读出信号电压的幅度、频率(周期)。具有“X—Y工作方式”，将"CH1"作为水平通道(X轴)、“CH2"作为垂直通道(Y轴)，可以观察由两通道输入的水平和垂直信号的合成图样(利萨如图)，测出信号的频率和位相差。 2．信号发生器 SG1020A数字合成信号发生器是一种小型便携式通用函数信号发生器，内部采用大规模精密函数信号发生集成电路，单片机控制，具有正弦波、方波、三角波、直流等多种波形输出、频率范围10mHz～20MHz以及外部测频功能，分辨率1mHz。 3．声速测量仪 声速测量仪如图所示，其上装有两个压电式 超声换能器S1、S2和螺旋测微器，转动手轮可以 改变S1和S2的位置，它们之间的距离可由电子标 尺读出，电子标尺分辨率0.01 mm。 压电式超声换能器是在压电陶瓷的前后两表 面胶粘上两块金属组成的夹心型振子。头部用轻 金属做成喇叭形，尾部用重金属做成锥形，中部 为压电陶瓷圆环(例如钛酸钡压电陶瓷)，环中间穿 过螺丝固定。这种结构的换能器，既能将正弦交图1 超声声速测量仪 流信号变成压电材料纵向的机械振动，使压电陶瓷成为声波的波源；反过来，也可以使声压变化转换为电压的变化，即用压电陶瓷作为声波的接收器。而用轻重金属做成的夹心结构，增大了辐射面积，增强了振子的耦合作用，使发射的声波方向性强，平面性好。 已知两列频率、振幅和振动方向相同的平面 简谐波，向相反的方向传播时，叠加的合成波就 是驻波。在驻波场中质点位移振幅最大处为波 腹，质点位移振幅近似为零处为波节，相邻波腹 或波节的距离为半波长(λ／2)。在空气中声波的 驻波场中，空气质点位移的图像不能直接观察 到，而声压可以用仪器测量。所谓声压就是空气 中由于声扰动而引起的超出静态大气压强的那 部分压强。我们测量的声驻波，应为声压驻波。 如图2所示，在声场中空气质点位移较大处为波 腹，该处空气质点较疏声压较小是声压驻波波节；图2 声压驻波示意图 对空气质点位移较小处的波节，空气质点较密声压较大是声压驻波波腹。声波在刚性平面反射时，在反射面处是空气质点位移的波节，声压驻波的波腹。
实验6 声速的测量 声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量。超声波（频率超过20k Hz 的声波）由于波长短，易于定向发射，在超声波段进行声速测量比较方便。实际应用中超声波传播速度对于超声波测距、定位、测液体流速、比重、溶液的浓度、测量材料弹性模量、测量气体温度瞬间变化等都有重要意义。 【实验目的】 1．掌握用不同方法测定声速的原理和技术。 2．了解压电陶瓷换能器的结构和工作原理。 3．进一步熟悉示波器和信号源的使用方法。 4. 加深对纵波波动和驻波特性的理解。 【实验原理】 由波动理论得知，声波的传播速度υ与声波频率f 和波长λ之间的关系为λυf =。所以只要测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出，波长则可用共振法和相位比较法进行测量。 1．压电陶瓷换能器 实验采用压电陶瓷换能器来实现声压与电压之间的转换。它主要由压电陶瓷环片、轻金属铅（做成喇叭形状，增加辐射面积）和重金属（如铁）组成，如图2-18所示。压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。超声波的产生是利用压电陶瓷的逆压电效应，在交变电压作用下，压电陶瓷纵向长度 周期性地伸、缩，产生机械振动而在空气中激发 出超声波。超声波的接收是利用压电陶瓷的正压 电效应使声压变化转变为电压的变化。压电陶瓷 换能器在声电转化过程中信号频率保持不变。 压电换能器系统有其固有的谐振频率0f ，当 输入电信号的频率等于谐振频率时，它的振幅最大， 作为波源其辐射功率就最大；当外加强迫力以谐振频率迫使压电换能器产生机械谐振时，它作为接收器转换的电信号最强，即灵敏度最高。 本实验中，压电换能器的谐振频率在35kHz ～39kHz 范围内，相应的超声波波长约为1cm 。由于波长短，而发射器端面直径比波长大得多，因而定向发射性能好，离发射器端面稍远处的声波可以近似认为是平面波。 2. 测量声速的实验方法 声波的传播速度v 可以由声波频率f 和波长λ求出 λυf = 其中声波频率可由信号发生器的显示屏读出，实验中的主要任务就是测声波波长。 （1）共振干涉法（驻波法）测量波长λ
声速的测量（超声波法） 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。声波在媒质中传播时，声速，声强等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以测知媒质的特性及状态变化。例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量：气体、液体的比重、成分等参量。 在同一媒质中，声速基本与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹，声速变化不到万分之二。由于超声波具有波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。 声速的测量方法可分为两类；第一类方法是直接根据关系式v＝S/t，测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，称为“时差法”。第二类方法是利用波长频率关系式v＝fλ,测量出频率f和波长λ来计算出声速。 【实验目的】 1．了解超声换能器的工作原理和功能 2．学习不同方法测定声速的原理的技术 3．熟悉测量仪和示波器的调节使用 4．测定声波在空气及水中的传播速度 【实验仪器】 QSSV-2型声速测定实验仪、示波器 【实验原理】 一、声速在空气中的传播速度 在理想气体中声波的传播速度为 v=（1）式中γ =Cp/Cv称为比热比，即气体定压比热容与定容比热容的比值，μ是气体的摩尔质量，Ｔ是绝对温度，Ｒ＝8.31441J/moL?K为普适气体常数。由(1)式可见，声速与温度有关，又
与摩尔质量μ及比热比γ有关，后两个因素与气体成分有关因此，测定声速可以推算出气体的一些参量。利用（1）式的函数关系还可制成声速温度计。 在正常情况下，干燥空气成分按重量比为氮：氧：氩：二氧化碳＝78.084:20.946:0.934:0.033。它的平均摩尔质量为0μ＝28.94×10-3 kg/moL 在标准状态下，干燥空气中的声速为0 v =331.5m/S 。在温室t ℃下，干燥空气中的声速为 0v v = （2） 式中Ｔ0＝273.15K 。由于空气实际上并不是干燥的，总含有一些水蒸气，经过对空气平均摩尔质量a μ和比热比γ的修正，在温度为t 、相对温度为t 0的空气中，声速为 （3） 式中s p 为t ℃时空气的饱的和蒸气压，可从饱和蒸气压、蒸气压和温度的关系表中查出；Ｐ为大气压，取P =1.013×105Pa 即可；相对温度r 可从干湿温度计上读出。由这些气体参量可以计算出声速，故（3）式可作为空气中声速的理化计算公式。 二、测量声速的实验方法 声速的传播速度v 与声波频率f 和波长λ的关系为 v = f λ （4） 测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可通过测量声源的振动频率得出，剩下的任务就是测声波波长，也就是本实验的主要任务。 波长可用下面两种方法测出： 1．相位法：波是振动状态的传播，也可以说相位传播。沿传播方向上的任何两点、如果其振动状态相同（同相）或者说其相位差为2π的整数倍，这时两点间的距离应等于波长λ的整数倍，即 Ｌ＝n λ (n 为－正整数) （5） v =
实验3 声速测定 【实验目的】 1．了解超声波的产生、发射和接收方法。 2．用驻波法、行波法和时差法测量声速。 【实验仪器】 声速测试仪，示波器，声速测试仪信号源等。 【预习要求】 1. 确定实验步骤。 2. 列出数据记录表格。 【实验依据】 声波的传播速度与其频率和波长的关系为 =λ (1) v? f 由（1）式可知，测得声波的频率和波长，就可得到声速．同样，传播速度亦可用 = (2) v/ t L 表示，若测得声波传播所经过的距离L和传播时间t，也可获得声速． 高于20kHz称为超声波。由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点．在超声波段进行声速测量可以在短距离较精确地测出声速。声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间，在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。这种压电陶瓷是利用压电效应和磁致伸缩效应实现电磁振动与机械振动的相互转换。压电陶瓷制成的换能器（探头）如图8-1所示。 图 8-1 纵向换能器的结构简图 压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向（振动）换能器。 【实验内容与方法】 1．共振干涉法（驻波法）测声速
实验装置如图8-2 所示。 (a) 驻波法、相位法连线图 图中S 1和S 2为压电晶体换能器，S 1作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出一近似的平面声波；S 2 为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当S 1 和S 2的表面互相平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L 为半波长的整倍数，即 ,2,1,0,2==n n L λ (3) 时，来回声波的波峰与波峰、波谷与波谷正好重叠，形成驻波。 因为接收器S 2 的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹．本实验测量的是声压，所以当形成驻波时，接收器的输出会出现明显增大，从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值（如图8-3）。
声速的测量 实验简介 声波是在弹性媒质中传播的一种机械波、纵波，其在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。 通过媒质中声速的测量，可以了解被测媒质的特性或状态变化，因而声速测量有非常广泛的应用，如无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等。 本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度。 实验目的 1、学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度； 2、深刻理解驻波的特性以及相位的物理含义； 3、了解产生和接受超声波的原理。 实验仪器 示波器 声速测试仪 信号发生器 实验原理 声波在空气中传播，其传播速度υ和声源的振动频率f 以及波长λ有如下关系 λυf = 测出声波的波长和声源的振动频率，就可以求出声波的传播速度。 1、声波的发射和接收 利用压电换能器实现声波的发射与接收，为避开环境声音对实验的影响，频率选自超声段。 2、驻波法测声速 根据波动理论，频率为f 的声波经介质到反射面，若反射面与发射面平行，则声场中同时存在两列波，其叠加的结果如下 设沿x 方向的入射波方程为 )2cos(11λ πωx t A Y - = 反射方程为 )2cos(22λ πωx t A Y + = 当A A A ==21时，则介质中某一位置的合振动方程为 t x A Y Y Y ωλ πcos )2cos 2(21=+=
当 πλ πK x =2时，合振动振幅最大，当 2 ) 12(2π λ π+=K x 时，合振动振幅最小。 通过实验装置，测出两次合振幅最大（小）的位置，即可算出波长λ。将其代入公式 λυf =中即可求出声波的波速υ。 3、相位法测声速 入射波方程 )cos()2cos(1111?ωλ πω+=- ==t A x t A Y X 反射方程为 )cos()2cos(2222?ωλ πω+=+ ==t A x t A Y Y 介质中某一位置的合振动方程为 )(sin )cos(2122 1222 21222212????-=--+A A xy A y A x 上述方程轨迹为椭圆，其长短轴和方位由相位差12??-决定。 1、若012=-??，则有 x A A Y 1 2 = 其轨迹为一直线，在一、三象限。 2、若π??=-12，则有 x A A Y 1 2 - = 其轨迹也为一条直线，在二、四象限。 两条直线图形的距离间隔为半个波长，由此可以测出波长，再根据λυf =即可求出声波的波速υ。 实验内容 1、驻波法测声速 2、相位法测声速 实验步骤 1、驻波法测声速 a 、按下图进行连接。
超声声速测量预习提纲 1、实验任务： （1）用相位法、共振法测空气中的声速；（必做） （2）用时差法测空气中的声速； （选做） 2、实验原理： （1）压电陶瓷换能器如何进行工作的？ （2）驻波如何形成？ （3）三种测量方法的主要实验原理如何？ （4）i x ?是半个波长还是一个波长？ （5）如何利用逐差法计算波长？（2 5 x λ=?，测10个数据用逐差法进行处 理） 3、操作规范： （1）为什么要进行谐振频率调节？如何调？ （2）如何理解示波器上的的直线、椭圆图形？ （3）如何避免回程差？ （4）时差法中如何调节使接收波信号幅度始终保持一致？ （5）如何正确使用示波器？ 4、数据处理： （1）逐差法是采用逐项逐差还是隔项逐差； （2）如何设计表格及必要数据的具体计算过程； （3）为什么时差法中延迟时间1i i t t --必需是三位有效数？ 5、结果讨论和误差分析：（本次实验项目的重点）。 （1）二种或三种测量方法的优劣比较，定量分析引起误差的原因； （2）百分差一般控制在5%以内。
超声声速测量数据记录表格设计提示 实验数据及结果： 1、共振干涉法： 温度：t= ± 0C 谐振频率：f = ± H 2、相位比较法：(参照共振干涉法) 数据处理： 1、 共振干涉法： 5,i i i x x +?=- ()5i i i x x x +?-?=?===仪 x S m ?= =--- x m ??==--- 2 5x m λ??=??=--- 15 i x x m ?=?∑?=--
2 5 x m λ=?=-- 2 5 x m λ??=??=-- m V f S ==--V m f S λ?=?=-- () V m V V S =±?=--±-- () 331.45S m m V V S S ===-- 100%%V V V E ??=--= 100%%S S V V V E P -?=--= 2、相位比较法： 计算过程同上 3、时差法： 3 0.01510L m -??==? 同理:6 0.510t s -??=? L m V S t ?==--? V m V S ?==-- () V m V V S =±?=--±-- 100%V V E V ?=? 100%S P S V V E V -=? 误 差 分 析 举 例 结果讨论及定性分析： 1、从百分差中可知，共振干涉法的误差最大，其次是相位比较法，最小是时差法。共振干涉法的误差最大原因：主要是每次观察正弦波波峰最大时容易出现误差，而相位比较法用里萨尔图形的斜率正、负直线观察出现误差较小，而时差法误差最小，其实验原理决定了该实验方法的误差。 2、在调节谐振频率时，由于信号源稳定性较差，开始时的谐振频率跟实验结束时的谐振频率有变化，变小，存在系统误差。
声速的测量 1. 实验目的 （1）了解声速测量仪的结构和测试原理； （2）通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能； （3）用共振干涉法和相位比较法测量声速，并加深有关共振、振动合成、波的干涉等理论知识的理解； （4）进一步掌握示波器、低频信号发生器和数字频率计的使用。 2. 实验仪器 SV-DH系列声速测试仪，SVX-5型声速测试仪信号源，双踪示波器(20MHz)。 3. 仪器简介 (1) 声波 频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。 (2) 压电陶瓷换能器 SV-DH系列声速测试仪主要由压电陶瓷换能器和读数标尺组成。压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。 压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力T时，在极化方向上产生一定的电场强度E且具有线性关系：E=CT；当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料上时，材料的伸缩形变S与U之间有简单的线性关系：S=KU，C为比例系数，K为压电常数，与材料的性质有关。由于E与T，S与U之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号
4. 实验原理 根据声波各参量之间的关系可知V =λν,其中V 为波速,λ为波长, ν为频率。 在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率ν求声速。声波的频率ν可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。 (1) 相位比较法 实验装置接线如图2所示，置示波器功能于X －Y 方式。当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，在发射波和接收波之间产生相位差： V L L πνλπ???2221==-=? （1） 因此可以通过测量??来求得声速。 ??的测定可用相互垂直振动合成的李萨如图形来进行。设输入X 轴的入射波振动方程为 )cos(11?ω+=t A x （2） 输入Y 轴的是由S2接收到的波动，其振动方程为： )cos(22?ω+=t A y （3） 图2 实验装置 上两式中：A 1和A 2分别为X 、Y 方向振动的振幅，ω为角频率，1?和2?分别为X 、Y 方向振动的初相位，则合成振动方程为 )(sin )cos(2122122 1222212????-=--+A A xy A y A x （4） 此方程轨迹为椭圆，椭圆长、短轴和方位由相位差21???-=?决定。当??＝0时，由式得
声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量。在空气中，一些波动现象，不仅可以用可见光与微波演示，也可以用声波演示。在气体中，声波是纵波而不是横波，因而不出现偏振现象，这是与电磁波现象的一个重大区别，但声音所产生的几种干涉和衍射效应与电磁波干涉和衍射效应完全相似。 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是比较方便的。本实验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；并研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。 【实验原理】 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l ，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，l 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。不难看出，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 v 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/λ)，就可以用λv =V 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 ?可利用示波器的李萨如图形来观察。? 和角频率 ω、传播时间 t 之间有如下关系： t ω?= 同时有，T /2πω=,V )T (V ,V ，代入上式得为周期式中T l t == λ λπ?/2l = 当,...)3,2,1(2/==n n l λ时，得π?n =。 实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，可观察到相位的变化。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。
一、实验项目名称：声速测量 二、实验目的： 1.学会测量超声波在空气中传播速度的方法。 2.理解驻波和振动合成理论。 3.学会逐差法进行数据整理。 4.了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。 三、实验原理： 1. 声波在空气中的传播速度： 在标况下，干燥空气中的声速为v=331.5m/s，T=273.15K。室温t℃时，干燥空气的声速为v=v。（1+t/T。）^(1/2) 2. 测量声速的实验方法：v=fλ式中，v声速，f声源震动频率，波长。 I．相位法 波是震动状态的传播，即相位的传播。若超声波发生器发出的声波是平面波，当接受器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置使得接受到的信号与发射器的激励电信号同相。继续移动接受器，直到找到的信号再一次与发射器的激励电信号同相时，移过的这段距离就等于声波的波长。 需要说明的是，在实际操作中，用示波器测定电信号时，由于换能器振动的传递或放大电路的相移，接受器端面处的声波与声源并不同相，总是有一定的相位差。为了判断相位差并测量波
长，可以利用双踪示波器直接比较发射器的信号和接收器的信号，进而沿声波传播方向移动接收器寻找同相点来测量波长；也可以利用李萨如图形寻找同相或反相时椭圆退化成直线的点。 II．驻波法 按照波动理论，超声波发生器发出的平面声波经介质到接收器，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，于是平面声波在两端面间来回反射并叠加。当接收端面与当接受端面与发射头间的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加后的波就形成驻波。此时相邻两波节（或波腹）间的距离等于半个波长（即）。当发生器的激励频率等于驻波系统的固有频率（本实验中压电陶瓷的固有频率）时，会产生驻波共振，波腹处的振幅达到最大值。 声波是一种纵波。由纵波的性质可以证明，驻波波节处的声压最大。当发生共振时，接收端面处为一波节，接收到的声压最大，转换成的电信号也最强。移动接收器到某个共振位置时，示波器上又会出现了最强的信号，继续移动接收器到某个共振位置，再次出现最强的信号，则两次共振位置之间距离为λ/2。四、实验仪器： 声速测试仪、信号发生器、示波器。 五、实验内容及步骤： 用驻波法测声速 (1)按图连接电路，将信号发生器的输出端与声速仪的输出