【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
大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为2/λ。为测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓
图 28.1 共振干涉法原理图
慢的改变1S 和2S 之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间2S 移动过的距离亦为2/λ。超声换能器2S 至1S 之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声波测试仪信号源频率显示窗口直接读出。在连续多次测量相隔半波长的2S 的位置变化及声波频率f 以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。
2．相位法测量原理
声源1S 发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但它和声源的振动相位差?Φ不随时间变化。
设声源方程为： t cos F F 011ω?=
距声源X 处2S 接收到的振动为：)Y
X t (cos F F 022-ω?= 两处振动的相位差： Y
X ω=?Φ 当把1S 和2S 的信号分别输入到示波器X 轴和Y 轴，那么当λ?=n X 即π=?Φn 2时，合振动为一斜率为正的直线，当()2/1n 2X λ+=，即()π+=?Φ1n 2时，合振动
为一斜率为负的直线，当X为其它值时，合成振动为椭圆（如图28.2）。
图28.2 接收信号与发射信号形成李萨如图
3．时差法测量原理
以上二种方法测声速，是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波的相位差，原理是正确的，但存在读数误差。较精确测量声速的方法是采用声波时差法，时差法在工程中得到了广泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过时间t后，到达距离为L处的接收换能器，那么可以用以下公式求出声
V 。
波在介质中传播的速度，速度为t/L
图28.3 相位法原理图
【实验仪器】
实验仪器采用杭州精科仪器有限公司生产的6SV 型声速测量组合仪及5SV 型声速测定专用信号源各一台，其外形结构见图28.4。
图28.4 SV6型声速测量组合仪实物照片
组合仪主要由储液槽、传动机构、数显标尺、两副压电换能器等组成。储液槽中的压电换能器供测量液体声速用，另一副换能器供测量空气及固体声速用。作为发射超声波用的换能器 1S 固定在储液槽的左边，另一只接收超声波用的接收换能器2S 装在可移动滑块上。上下两只换能器的相对位移通过传动机构同步行进，并由数显表头显示位移的距离。
1S 发射换能器超声波的正弦电压信号由5SV 声速测定专用信号源供给，换能器2S 把接收到的超声波声压转换成电压信号，用示波器观察；时差法测量时则还要接到专用信号源进行时间测量，测得的时间值具有保持功能。
实验时用户需自备示波器一台；mm 300游标卡尺一把，用于测量固体棒的长度。
图28.5 共振干涉法、相位法（上）、时差法（下）测量连线图
【实验内容】
1. 声速测量系统的连接
声速测量时，5SV 专用信号源、6SV 测试仪、示波器之间，连接方法见图
28.5。
2. 谐振频率的调节
根据测量要求初步调节好示波器。将专用信号源输出的正弦信号频率调节到换能器的谐振频率，以使换能器发射出较强的超声波，能较好地进行声能与电能的相互转换，以得到较好的实验效果，方法如下：
（1）将专用信号源的“发射波形”端接至示波器，调节示波器，能清楚地观察到同步的正弦波信号；
（2）专用信号源的上“发射强度”旋钮，使其输出电压在P P V 20-左右，然后将换能
器的接收信号接至示波器，调整信号频率()kHz 45~kHz 25，观察接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（kHz 5.39~kHz 5.34之间，因不同的换能器或介质而异）电压幅度最大，此频率即是压电换能器1S 、2S 相匹配频率点，记录此频率i f 。
（3）改变1S 、2S 的距离，使示波器的正弦波振幅最大，再次调节正弦信号频率，直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值。共测5次取平均频率f 。
3. 共振干涉法、相位法、时差法测量声速的步骤
（1）共振干涉法（驻波法）测量波长
将测试方法设置到连续方式。按前面实验内容二的方法，确定最佳工作频率。观察示波器，找到接收波形的最大值，记录幅度为最大时的距离，由数显尺上直接读出或在机械刻度上读出；记下2S 位置0X 。然后，向着同方向转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化（同时在示波器上可以观察到来自接收换能器的振动曲线波形发生相移），逐个记下振幅最大的1X ，2X ，…9X 共10个点，单次测量的波长1i i i X X 2--?=λ 。用逐差法处理这十个数据，即可得到波长λ 。
（2）相位比较法（李萨如图法）测量波长
将测试方法设置到连续波方式。确定最佳工作频率，单踪示波器接收波接到“Y ”，发射波接到“EXT ”外触发端；双踪示波器接收波接到“1CH ”，发射波接到“2CH ”，打到“Y X -” 显示方式，适当调节示波器，出现李萨如图形。转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线，记下2S 的位置0X ，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，这时来自接收换能器2S 的振动波形发生了π2相移。依次记下示波器屏上斜率负、正变化的直线出现的对应位置1X ，2X ，…9X 。单次波长1i i i X X 2--?=λ 。多次测定用逐差法处理数据，即可得到波长λ。
3）时差法测量声速
① 空气介质
测量空气声速时,将专用信号源上“声速传播介质”置于“空气”位置,发射换能器（带有转轴）用紧定螺钉固定，然后将话筒插头插入接线盒中的插座中。
将测试方法设置到脉冲波方式。将1S 和2S 之间的距离调到一定距离（≥
mm 50）。开启数显表头电源，并置0，再调节接收增益，使示波器上显示的接收波信号幅度在mV 400~300左右（峰-峰值），以使计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值1i L -、1i t - (时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接
读出)；移动2S ，记录下这时的距离值和显示的时间值i L 、i t 。则声速
)t t /()L L (V 1i i 1i i 1----= 。记录介质温度)C ( t ?。
需要说明的是，由于声波的衰减，移动换能器使测量距离变大（这时时间也变大）时，如果测量时间值出现跳变，则应顺时针方向微调“接收放大”旋钮，以补偿信号的衰减；反之测量距离变小时，如果测量时间值出现跳变，则应逆时针方向微调“接收放大”旋钮，以使计时器能正确计时。
② 液体介质
当使用液体为介质测试声速时，先小心将金属测试架从储液槽中取出，取出时应用手指稍稍抵住储液槽，再向上取出金属测试架。然后向储液槽注入液体，直至液面线处，但不要超过液面线。注意：在注入液体时，不能将液体淋在数显表头上，然后将金属测试架装回储液槽。
专用信号源上“声速传播介质”置于“液体”位置，换能器的连接线接至测试架上的“液体”专用插座上，即可进行测试，步骤与1相同。记录介质温度)C ( t ? 。 ③ 固体介质：(只适合用时差法测量)
测量非金属（有机玻璃棒）、金属（黄铜棒）固体介质时，可按以下步骤进行实验： a.将专用信号源上的“测试方法”置于“脉冲波”位置，“声速传播介质”按测试材质的不同，置于“非金属”或“金属”位置。
b.先拔出发射换能器尾部的连接插头，再将待测的测试棒的一端面小螺柱旋入接收换能器中心螺孔内，再将另一端面的小螺柱旋入能旋转的发射换能器上，使固体棒的两端面与两换能器的平面可靠、紧密接触，注意：旋紧时，应用力均匀，不要用力过猛，以免损坏螺纹，拧紧程度要求两只换能器端面与被测棒两端紧密接触即可。调换测试棒时，应先拔出发射换能器尾部的连接插头，然后旋出发射换能器的一端，再旋出接收换能器的一端。
c.把发射换能器尾部的连接插头插入接线盒的插座中，按图28.)b (5接线，即可开始测量。
d.记录信号源的时间读数，单位为s μ。测试棒的长度可用游标卡尺测量得到并记录。
e.用以上方法调换第二长度及第三长度被测棒，重新测量并记录数据。
f.用逐差法处理数据，根据不同被测棒的长度差和测得的时间差计算出被测棒的声速
二 声速数据处理
1．基础数据记录
谐振频率f=33.5kHz ；室温22.8℃。
2．驻波法测量声速
λ的平均值：==∑=6
1
61i i λλ 1.0582（cm ） λ的不确定度：
1．基础数据记录
谐振频率f=33.5kHz ；室温22.8℃。
)
1()(612--=∑=i i S i i λλλ＝0.002（cm ） 因为，λi = (1i+6-1i ) /3，Δ仪=0.02mm
所以，＝仪?=
332
λu 0.000544（cm ）
=+=22λ
λλσu S 0.021（mm ） 计算声速：
50.354==λυf （m/s ）
计算不确定度：
(m/s) 3)()((kHz) 2.03%122=+==?=f f f f λσσσσλυ
实验结果表示：温度t=22.8℃时，υ=（354±3）m/s ，B=0.8%
3．相位比较法测量声速
λ的平均值：==∑=7
171i i λλ 1.1041（cm ） λ的不确定度：
)1()(712--=∑=i i S i i λλλ＝0.002（cm ） 因为，λi = (1i+7-1i ) /7，Δ仪=0.02mm 所以，＝仪?=372
λu 0.000233（cm ） =+=22λ
λλσu S 0.020（mm ） 计算声速：
31.353==λυf （m/s ）
计算不确定度：(m/s)
3)()((kHz) 2.03%122=+==?=f f f f λσσσσλυ
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
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)]。
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
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。
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。
声速测量 （1）用共振干涉法和相位比较法测声速有何相同和不同？ 相同之处：都用连续波测量，均依靠示波器测量 共振法：平行传播的声波与反射波产生干涉，形成驻波。改变半个波长的传播路程，驻波的波幅变化一个周期，从而可测得波长，乘以频率，得到声速。 相位法：比较接收波相对与发射波的相位差，改变一个波长的传播路径，相位变化360度，从而通过测看相位图，就可测得波长，乘以频率，得到声速。（2）声速测量试验中，定性分析共振法测量时声压振幅极大值随距离变大而减少的原因。 这是由于声波在实际介质中传播时，由于扩散、吸收和散射等原因，会随着离开声源的距离增加而自身逐渐减弱。这种减弱与传播距离、声波频率和界面等因素有关。而振幅的大小恰好表示波动能量的大小，所以随着声波的不断向前传播，振幅会逐渐变小。 1. 传播衰减：点声源、面声源、线声源三种类型不同的声源，辐射出的声波波阵面形状不同，随着传播距离增加其扩散衰减的规律也不相同。 2．吸收衰减：分为有空气吸收、绿色植被的吸收、气流和大气温度梯度的吸收。由于种种影响才会造成声波的衰减，在相同环境条件下，人耳可听到的声波范围为20HZ~20000HZ，根据频率越高，在传播过程中更易受空气等等各种的影响的道理，故衰减得比较快。 声速测量实验数据处理： 要求：（1）用逐差法处理数据，计算超声波的波长； （2）利用不确定度的间接传递，计算超声波传播速度的不确定度，并表示出测量结果； （3）计算测量时声速的理论值，并与测量值比较，得出百分误差。 1.共振干涉法测声速实验数据记录 共振频率T=20 ℃ f 37.056 KHz i 123456789101112 Li(mm)
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）。
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。 2.相位比较法 波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍。利用这个原理，可以精确的测量波 长。实验装置如图1所示，沿波的传播方向移动接收器，接收到的信号再次与 发射器的位相相同时，一国的距离等于与声波的波长。 同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号，它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信 号的位相差有关，当两信号之间的位相差为0或时，椭圆变成倾斜的直线。 3.时差法 用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。由信号源提供一个脉冲信号经发出一个脉冲波，经过一段距离的传播后，该脉冲信号被接收，再将该信号返回信号源，经信号源内部线路分析、比较处理后输出脉冲信号在、之间 的传播时间t，传播距离L可以从游标卡尺上读出，采用公式(2)即可计算出声速。 4.逐差法处理数据 在本实验中，若用游标卡尺测出个极大值的位置，并依次算出每经过个 的距离为 这样就很容易计算出。如测不到20个极大值，则可少测几个(一定是偶数)，用类似方法计算即可。
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
声速测量 一、实验目的： 1、了解压电晶体换能器的工作原理； 2、理解共振干涉法和相位比较法测量声速的基本原理； 3、掌握用共振干涉法和相位比较法测量声波在空气中以及水中传播速度的方法； 4、熟悉各种测量仪器和示波器的调节和使用。 二、实验仪器： 声速测定仪、信号发生器、示波器、屏蔽馈线。 三、实验原理 声速是描述波在媒质中传播特性的物理量，它与媒质的性质及状态有关，频率在20—20000赫兹范围内为可闻声，大于20000赫兹为超声波，由于超声波具有波长短，方向性好，抗干扰强等特点，在传播的过程中入射波与反射波容易产生干涉并形成驻波，而可闻声只能在驻波管内产生干涉形成驻波。本实验是通过测量波长λ和频率f ，由公式V f λ=算出声速。 压电陶瓷： 压电陶瓷（如：钛酸钡、锆钡酸铅）具有正压电效应和逆压电效应，当它受到压力时，表面产生电荷，形成电场，为正压电效应。在外加电场的作用下可产生形变，为逆压电效应，当交流电压作用于压电陶瓷时，它将作周期性的形变即振动从而发出声波。 利用压电陶瓷在外来振动的作用下产生变化电场的正压电效应可用来接收声波信号。 1、共振干涉法（驻波法） 如图（一）所示，超声波发射换能器与超声波接收换能器平行正对，超声波发射换能器发出超声波向右传播，遇到接收换能器后发生反射，此时发射换能器与接收换能器之间的入射波与反射波传播方向相反并且满足相干条件，因此两列波叠加干涉形成驻波，相邻波腹和波节间距离都为 2 λ ，当接收换能器移至波腹处接收信号最强，实验中通过移动接收换能器依次记下波腹位置，它满足： l k λ=，,1,2, k i i i =++ 发射换 能器 图（一）
大学物理实验:超声声速测定
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超声声速测定 声波特性的测量，如频率、波长、声速、声压衰减、相位等，是声波检测技术中的重要内容。特别是声速的测量,不仅可以了解媒质的特性而且还可以了解媒质的状态变化,在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的实用意义。例如,声波测井、声波测量气体或液体的浓度和比重、声波测量输油管中不同油品的分界面等等。 “声速的测量”是一个综合性声学实验。实验中采用压电陶瓷超声换能器通过驻波法（共振干涉法)和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度，这是一个非电量电测方法的应用。通过这个实验可以重点学习如下内容:（1）实验方法：非电量的电测方法；测量声速的驻波法和相位比较法。(２）测量方法:利用示波器测量电信号的极大值和观察李萨如图形测量相位差的方法。（３)数据处理方法：求声波波长的逐差法。(4)仪器调整使用方法:双踪示波器和函数信号发生器的正确调节和使用方法。 【实验目的】 １.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。 ２.了解压电换能器的功能。 3.学习用逐差法处理数据。 【实验仪器】 SVX－５型声速测试仪信号源、SV－DH系列声速测试仪、双踪示波器等
【实验原理】 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2０kH ｚ~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 ～60k Ｈz 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。 根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ，其中υ为波速， λ为波长,f 为频率。 图4-５-1共振法测量声速实验装置 在实验中，可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。声波的频率f 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。 图4-5-2 相位比较法测量声速实验装置 １.相位比较法 实验装置接线如图４-5-2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，合成振动方程为：
声速测量 填空题 1．声速测量实验中，采用驻波共振法测量声速时，要使函数信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率，并且在实验过程中保持不变。 2．声速测量实验使用的声速测量仪，是利用压电晶体的压电效应，在交变电压的作用下使压电体产生机械振动，从而在空气中激发出超声波。 3．声波的传播速度v，声源的振动频率f和声波波长λ之间的关系为v=fλ。声速测量实验测波长常用的方法有共振干涉法和位相比较法。 4．声速测量实验中是通过压电晶体的压电效应来发射和接收声波。 6．声速测量采用位相比较法测波长时，可通过示波器观察李萨如图形判断相位差。李萨如图形一般是稳定的椭圆。当相位差为0或π时，椭圆变为倾斜的直线。 7．声速测量采用共振干涉法测波长时，当接收端面与发射端面之间的距离恰好等于半波长的整数倍时，叠加后的波形成驻波。此时相邻两波节（或波腹）间的距离等于半个波长。 简答题 1.实验中为什么要在超声换能器谐振状态下测量？ 答：在谐振状态下超声换能器的纵向伸缩幅度大，发射的声波强；接收换能器接收的声压大，输出的电信号强。这样，可以提高测量的灵敏度，较为准确的确定驻波的波节，有利于准确地测量声波的波长。 2.实验中怎样找到超声换能器的谐振频率？ 答：实验中所使用的超声换能器的谐振频率在30～40kHz之间，可以通过以下两种方法找到换能器的谐振频率。 （1）方法一：根据发射换能器的谐振指示灯调节 逆时针调节函数信号发生器的“电源开关幅度调节”（AMPLITUDE POWER）旋钮，调节到约为最大位置的三分之二。在输出频率30～40kHz范围内仔细调节“频率微调”（FINE）旋钮，使声波发射换能器旁边的指示灯点亮。这时，信号发生器的输出频率即为换能器的谐振频率。 （2）方法二：根据接收换能器的输出信号调节 调节两换能器发射面和接收面之间的距离约为1cm左右，用示波器观察接收换能器的输出信号，在输出频率30～40kHz范围内仔细调节函数信号发生器的“频率微调”（FINE）旋钮，使接收换能器的输出电压信号最大。此时，信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率。