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【实验目的】1、掌握两种测量声速方法的原理，学会测定超声波在空气中的传播速率。
2、了解压电换能器的功能，熟悉信号源和示波器的使用。
3、加深对驻波及振动合成理论的理解。
4、测定超声波在固体中的传播速率【实验原理】（原理概述，电学。
光学原理图，计算公式）在波动过程中，波速v、波长λ和频率f之间存在下列关系v=fλ通过实验，测出波长λ和频率f，就可以求出声速v。
常用的方法有驻波法和相位比较法两种。
超声波声速测定装置主要由压电传感器和游标卡尺构成。
传感器的主要部件是用多晶体结构的压电材料（如碳酸钡）在一定温度下经特殊处理而成的压电陶瓷片。
这种陶瓷片具有压电效应，它能将交流电压信号转换成纵向长度的伸缩，靠自身成为声波波源；反过来，也可将声压变化转换成电压变化，即用它将接收到的声波信号转变为电压信号。
压电传感器有一谐振频率f，当外加声波信号的频率等于此频率时，陶瓷片将发生机械谐振，得到最强的电压信号，此时传感器具有最高的灵敏度；反过来，当输入的电压使得传感器产生机械谐振时，作为波源将具有最强的发射功率。
实验装置中使用两个压电传感器，其一作为超声发射器，另一个作为接收器。
1.驻波法测声速实验装置如图。
图中S1和S2为压电陶瓷超声换能器，S1作为超声源（发射头），由信号源输出的正弦交变电压接到S1上，使得S1发出一平面超声波；S2作为超声波的接收头，把接收到的声压转变成交变的正弦电压信号后输入示波器观察。
S2在接收超声波的同时，还向S1反射一部分超声波，这样由S1发出的超声波和由S2反射的超声波就在S1和S2之间的区域干涉形成驻波。
驻波相邻两波峰（或波节）之间的距离为半波长。
S2可以移动，其位置由游标卡尺读出。
当改变S2到S1之间的距离时，在一系列特定位置上，S2面接收到的声压达到极大值（或极小值），相邻两极大值（或极小值）之间的距离皆为半波长。
此时，在示波器荧光屏上所显示的波形幅值发生周期性的变化，即由一个极大值变到极小值，再变到极大值。
《大学物理实验》
实
验
报
告
实验名称：空气中声速的测量
专业班级：组别：
姓名：学号：
合作者：日期：
然要求S1和S2端面严格平行？说明理由。
答：因为只有当S1和S2表面保持互相平行且正对时，S1和S2间才能形成驻波，才会出现波腹和波节，S2表面才会出现声压极大值，屏幕上才会出现正弦波振幅变化，由此可测超声波波长。
在相位比较法中不要求S1和S2端面严格平行。
因为相位比较法是通过李萨如图形来观察相位的变化，图形的形成是两个相互垂直的振动的叠加。
不需要形成驻波，故不要求S1和S2端面严格平行。
声速的测定(用共鸣管
声速的测定可以用共鸣管来实现。
共鸣管是一种管形谐振器，当管内空气某种频率的声波的波长与管长相等时，会产生共振现象。
这时，共鸣管内空气振动幅度增大，声压级也随之增强。
因此，通过测量这种共鸣频率，就可以计算出空气中声速的大小。
步骤如下：
1. 将共鸣管按照要求调整为需要的长度。
一般情况下，会先用塞子塞住一个端口，用另一个口吹气，并调整管的长度，使其开始发出共振声。
2. 使用频率计测量共振频率。
共振频率即为空气中声波的频率，也就是空气中的声速。
3. 计算声速。
根据空气中声速的计算公式：v=λf，其中 v 为声速，λ 为波长，f 为频率。
根据共振管的大小可以计算出共振
频率，因此波长就可以计算出来。
将求得的波长代入公式中，便可得出声速的大小。
需要注意的是，在实验中需要排除其他因素对共振现象的影响，比如管子内的温度、管子直径、口音强度等等。
此外，在进行测量的时候，也需要保证环境的安静和稳定，以确保共振声的产生和测量的准确性。
声速的测定引言声速是指声波在介质中传播的速度，是介质中分子振动传递的速度。
测定声速的方法有很多种，本文将介绍几种常见的方法：直接法、回声法和干涉法。
直接法直接法是通过测量声波在空气中传播的时间来计算声速。
具体步骤如下：1.准备一个发声装置和一个接收装置，并将它们放置在一定距离的位置上。
2.发声装置发出一个特定频率的声音，接收装置接收到声音后记录接收到声音的时间。
3.根据传播的距离和时间计算出声速。
直接法的优点是操作简单，缺点是受环境因素的影响比较大。
回声法回声法是通过测量声波在空气中的来回传播时间来计算声速。
具体步骤如下：1.准备一个发声装置和一个接收装置，并将它们放置在一定距离的位置上。
2.发声装置发出一个特定频率的短脉冲声波，接收装置接收到声波后记录接收到声波的时间。
3.根据声波的来回传播时间和传播距离计算出声速。
回声法的优点是准确性较高，缺点是操作稍微复杂一些。
干涉法干涉法是通过测量声波传播的距离和声波的相位差来计算声速。
具体步骤如下：1.准备一个发声装置和两个接收装置，并将它们按照一定距离放置。
2.发声装置发出一个特定频率的声波，接收装置接收到声波后记录下接收到声波的时间和相位差。
3.根据声波传播的距离、相位差和频率计算出声速。
干涉法的优点是测量精确度较高，缺点是需要精确测量声波的相位差。
结论通过直接法、回声法和干涉法这三种方法，我们可以测定声速。
不同的方法有不同的适用范围和要求，需要根据具体实验的情况选择合适的方法。
无论选择哪种方法，准确测定声速是研究声学和工程领域的重要基础工作。
参考文献1.张三, 李四. (2000).。
大学物理实验教案实验名称：空气中声速的测定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V f 。
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）S1 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，S1 、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：Ln n 123 2 （1）即当S1 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：L L n 1 Ln n 1 n 2 2 2 （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 2 。
此距离 2 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V f ，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：2 2 X Y Cos 2 1 Sin 2 2 1 2 XY A1 A2 A1 A2 （5）2 1 0 在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。
测定声速的实验方法与步骤解析声速是指声音在单位时间内在介质中传播的距离，也可以理解为声音传播的速度。
测定声速的实验方法有多种，以下将为您详细解析几种常见的实验方法和步骤。
一、空气中1. 实验仪器和材料准备：- 示波器：用于显示声波信号的频率和振幅。
- 扬声器：用于发出声波信号。
- 音叉：用于产生稳定的振动频率。
- 直尺：用于测量距离。
- 火柴棒或其他装置：用于产生声波的初始信号。
2. 实验步骤：a. 将示波器接入扬声器，并将其连接到电源。
b. 将音叉固定在相对稳定的表面上。
c. 通过击打音叉来产生声波的初始信号。
d. 用直尺测量从音叉到示波器的距离，并记录下来。
e. 在示波器上观察声波信号的振幅与频率，并记录下来。
f. 测量声波从音叉传递到示波器的时间，并计算出声速。
二、水中1. 实验仪器和材料准备：- 振动源：如音叉或声波发生器。
- 容器：用于内部存放水的容器。
- 测距工具：如直尺或测距仪。
- 示波器：用于测量声波信号的振幅和频率。
2. 实验步骤：a. 将容器填满水，以确保声波传播的介质为水。
b. 将振动源放入容器中，使其悬浮在水中。
c. 利用振动源激发出声波信号。
d. 在示波器上观察声波信号的振幅与频率，并记录下来。
e. 使用直尺或测距仪测量从振动源到示波器之间的距离，并记录下来。
f. 根据声波传播距离和时间，计算出水中的声速。
三、固体中1. 实验仪器和材料准备：- 锤子或敲击器：用于产生声波信号。
- 传感器：用于接收声波信号并将其转化为电信号。
- 示波器：用于显示声波信号的频率和振幅。
- 计时器：用于测量声波传播时间。
- 直尺：用于测量传播距离。
2. 实验步骤：a. 将传感器与示波器相连，并将其连接到电源。
b. 保持敲击器与传感器之间的恒定距离。
c. 用敲击器在固体表面上产生声波信号。
d. 在示波器上观察声波信号的振幅与频率，并记录下来。
e. 使用直尺测量声波传播的距离，并记录下来。
f. 使用计时器测量声波从敲击器传播到传感器的时间，并计算出固体中的声速。
实验39 空气中声速的测定数据表格及处理（参考内容）（一）驻波法用逐差法处理数据表一驻波法测声速声波频率f= kHz次序次序平均值（ m）0 61 72 83 94 105 11几个计算公式：（1）平均值标准偏差（2）（游标卡尺的分度值 =0.02mm）（3）逐差法（4）合成不确定度（5）（其中）（6）声速测量的平均值及不确定度（二）相位法（参考驻波法）〔注意事项〕1．调节仪器时应严格按照教师或说明书的要求进行，以免损坏仪器。
2．测量过程中仔细将频率调整到压电换能器的谐振频率。
3．实验中采用累加放大法测量。
4．实验完毕，必须整理好实验台和实验仪器。
〔数据记录与处理〕1．基础数据记录谐振频率f=33.5kHz；室温22.8℃。
2．驻波法测量声速表1 驻波法测量声速数据i 1i（cm）i+6 1i+6（cm）λi= (1i+6-1i) /3（cm）1 9.062 7 12.234 1.0572 9.576 8 12.776 1.0673 10.124 9 13.314 1.0634 10.650 10 13.822 1.0575 11.180 11 14.354 1.0586 11.702 12 14.844 1.047λ的平均值： 1.0582（cm）λ的不确定度：＝0.002（cm）因为，λi= (1i+6-1i) /3，Δ仪=0.02mm所以， 0.000544（cm）0.021（mm）计算声速：（m/s）计算不确定度：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表2 相位比较法测量声速数据（相位变换2π）i 1i（cm）i+7 1i+7（cm）λi= (1i+7-1i)/7（cm）谐振频率1 8.162 8 15.926 1.109 f=32.0kHz2 9.282 9 17.050 1.1103 10400 10 18.220 1.1074 11.512 11 19.206 1.099 室温5 12.600 12 20.290 1.099 t=22.0℃6 13.722 13 21.460 1.1057 14.832 14 22.532 1.100λ的平均值： 1.1041（cm）λ的不确定度：＝0.002（cm）因为，λi= (1i+7-1i) /7，Δ仪=0.02mm所以， 0.000233（cm）0.020（mm）计算声速：（m/s）计算不确定度：实验结果表示：温度t=22.0℃时，υ=（353±3）m/s，B=0.8%。
空气中声速的测定篇一：空气中声速的测定实验3-12 空气中声速的测定一、画出实验原理图二、测量公式及式中各量的物理意义三、预习自测题1．超声波是指频率 kHz的声波。
2．本实验用两个压电元件作换能器，一个换能器由高频电信号激振而产生，另一个作为接收器将高频变化的声压转换为。
3．两个换能器相对放置且端面平行时，在它们间形成驻波，当接收器位于驻波场中的处时声压最大，此时示波器显示的幅值。
4．实验中，为了使发射换能器谐振，要调节信号源的输出频率，判断其谐振与否的标志为（1）；（2）。
5．相位法测声速时，将发射器与接收器的正弦信号分别输入示波器的x轴与y轴，两个信号的合成在屏幕上形成李萨如图。
当接收器移动时，图象将作周期性变化，每改变一个周期，换能器移动的距离为，相位改变。
四、原始数据记录与处理1．驻波法实验数据频率f = （Hz）室温t = （℃）对测量量L，其平均值的51A类不确定度SL?(Li?)2? ?5(5?1)i?1B类不确定度u??? C2则不确定度 uL?SL?u2?这样 ??22? u??uL? 55则V?f?? uV?fu??速度V的完整表示为当温度为t时，空气中声速 Vt?V0?t?则实验测量值与理论计算值的相对百分误差为 E?? ?VtVt?100%?2．相位法实验数据（每隔2?测一次）频率 f = （Hz）室温t = （℃）对测量量L，其平均值的 A类不确定度SL? B类不确定度u??? C2则不确定度uL?SL?u2?这样?? u??则 V?f?? uV?fu??速度V的完整表示为当温度为t时，空气中声速 Vt?V0?t?则实验测量值与理论计算值的相对百分误差为 E???VtVt?100%?3．双踪显示法实验数据（选作）频率 f =（Hz）室温t =（℃）篇二：声速的测定实验报告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V?f?。
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）S1发出的超声波和S2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，S1、S2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：L?n,n?1,2,3??2（1）即当S1和S2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S2，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?S2所移过的距离为：2 （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2。
此距离2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Vf，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：?L?Ln?1?Ln??n?1??2?n??2???X??Y?2XY?Cos??2??1??Sin2??2??1A1A2 ?A1??A2? （5）在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。
当相位差222??1?0时，由（5）式，得y?A2xA1，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)]。
2yx1?2??1?222时，得A1A2，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆当2当2??1??时，得y??A2xA1，轨迹为处于第二和第四象限的一条直线。
改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接受波之间的相位差（2??1），荧光屏上的图形也随之变化。
显然，L每变化半个波长（即?L?Ln?1?Ln?)2，位相差??就变化?。
随着振动相位差从0→?的变化，李沙如图形就按图16——2(a) →（b）→(c)变化。
因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线。
测得波长和频率f，根据V?f?，就可计算出声速。
?4、实验内容（1）熟悉声速测定仪该仪器由支架、游标卡尺和两只超声压电换能器组成。
两只超声压电换能器的位置分别与游标卡尺的主尺和游标相对定位，所以两只换能器相对位置距离的变化量可由游标卡尺直接读出。
两只超声压电换能器，一只为发射声波用（电声转换），一只为接收声波（声电转换），其结构完全相同。
发射器的平面端面用以产生平面声波；接收器的平面端面则为声波的接收面和反射面。
压电换能器产生的波具有平面性、单色性好以及方向性强的特点。
同时可以控制频率在超声波范围内，使一般的音频对它没有干扰。
（2）驻波法测量声速1）按图接好线路，把换能器S1引线插在低频信号发生器的“功率输出孔”，把换能器S2接到示波器的“Y input”。
2）打开电源开关，把频率倍乘按钮×10K压入，调节幅度电位器，使数码显示屏读数5--8V电压,电压衰减按钮为20dB；波形选择为正弦波（弹出状态）。
3）压入示波器电源开关，把示波器Y衰减开关VOLTS/DIV置档，Y输入方式置AC位。
扫描档TIME/DIV为20us，触发源（触发TRIG）选择“内同步INT”；触发方式为“自动”。
4）移动S2位置，目测S1与S2的距离为3cm左右，调整低频信号发生器的“频率调节”波段开关，调节频率微调电位器，使数码显示屏的频率读数为—范围。
观察示波器，当屏幕的波形幅度最大时，说明换能器S1处于共振状态。
记下频率f值（实验过程中，频率f 不许改变，否则影响实验数据）。
5）示波器荧幕的波形若不在中央，可调节垂直或水平位移电位器；波形太小（可能不稳定）或太大，可调节Y增益电位器VARIABLE，使波形幅度适中。
6）注意：实验过程中不要用手触摸两个换能器，以免影响测量精确性。
7）向右稍移S2，并调整游标卡尺的微调螺丝，同时观察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超过屏幕，可调整Y增益VARIABLE，使波形满屏。
记下S2的初始位置L0。
8 由近至远慢慢移动接收器S2，逐个记下九个幅度最大的位置（即Li值）。
（3）相位法测声速1）把示波器触发方式选择“外接”。
2）把示波器的“Y input”接超声波测速仪的接收器S2,示波器“X输入”联接到低频信号发生器的电压输出（不能接同步输出）。
3）把S2调回距S1大约3cm，移动接收换能器S2，调节游标卡尺微调螺丝，同时观察示波器的图形变化，使图形为“/”，记下S2初始位置LO。
4）由近至远，慢慢移动S2,并注意观察图形变化，逐下记下每发生一次半周期变化（即图形由“/”直线变到“\”直线）接收换能器S2的位置读数Li值，共测十个数据。
5）实验完毕，关掉电源，整理好仪器5、实验参考数据1）驻波法测量声速共振频率f=表1 驻波法测量波长的测量数据次序Li10?3mm次序Li10?3mmLi?5?Li10?3mm vLI?5?Li10?3mm1 2 3 4 56 7 8 9 10逐差法处理表1数据152SL?L?vLi?5?Li?I?5in?1i?1标准偏差= CnSLi?5?LivLI?5?Li uB??m??合成不确定度为222222uLI?5?LI?uA?uB?SL?u(mm)?LBi?5i 3频率f不确定度声速V的相对不确定度EV?(uff)?(2uf??mf??(HZ)uLI?5?LiLi?5?Li)2?()?()??%声速的计算V?22f(Li?5?Li)(m/s)55声速V不确定度为uV?VEV3(m/s)室温时声速结果表达式：?V?V?uV??(m/s)(p?)??EV?%2）相位法测量声速参考驻波法。
6.结论：1)实验测量结果与理论值接近，是误差允许范围。
2）相位法测量优于驻波法测量。
7.误差分析：1）共振频率的不稳定。
2）换能器的不完全平行。
3）示波器上振幅极大值的不稳。
4）随着换能器的距离的增加能量会有减弱。
5）测量时会含有回程差。
篇三：实验报告声速的测定实验报告声速的测定-驻波法测声速2013301020142吴雨桥13级弘毅班物理科学与技术学院本实验利用超声波采用驻波法来测定空气中的声速。
实验目的(1)学会用驻波法测定空气中的声速。
(2)了解压电换能器的功能，熟悉低频信号发生器和示波器的使用。
(3)掌握用逐差法处理实验数据。
实验器材声波驻波仪、低频信号发生器、数字频率计、毫伏表、示波器、屏蔽导线。
仪器介绍声波驻波仪如图所示，在量程为50cm的游标尺的量爪上，相向安置两个固有频率相同的压电换能器。
移动游标及借助其微动装置就可精密地调节两换能器之间的距离L。
压电换能器是实现声波（机械振动）和电信号相互转换的装置，它的主要部件是压电陶瓷换能片。
当输给一个电信号时，换能器便按电信号的频率做机械振动，从而推动空气分子振动产生平面声波。
当它受到机械振动后，又会将机械振动转换为电信号。
压电换能器S1作为平面声波发射器，电信号由低频信号发生器供给，电信号的频率读数由数字频率计读出；压电换能器S2作为声波信号的接收器被固定于游标尺的附尺上，转换的电信号由毫伏表指示。
为了在两换能器的端面间形成驻波，两端面必须严格平行。
实验原理声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，它和声源振动的频率f、波长λ有如下关系：v=fλ如果已知声源振动的频率f，只要测定声波在空气中的波长λ，即可由上式求得空气中的声速。
本实验采用驻波法测定声波在空气中的波长λ。
两列振幅相同传播方向相反的相干波叠加形成驻波，它不受两个波源之间距离等条件的限制。
驻波的强度和稳定性因具体条件的不同有很大差异。
只有当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，驻波振幅才达到最大值，该现象称为驻波共振。
改变S1、S2端面之间的距离L，当S1、S2端面之间的距离L恰好等于超声波半波长的整数倍时，即L=nλ/2 (n=1,2,3…)在S1、S2之间的介质中出现稳定的驻波共振现象，此时逐波振幅达到最大;同时，在接受面上的声压波腹也相应的达到极大值，转化为电信号时，电信号的幅值也会到达极大值。
因此，连续移动S2，增大S1与S2的间距L，每当L满足L=nλ/2 (n=1,2,3…)时，毫伏表显示出电压最大值，记录这些S2的坐标（由游标卡尺直接读数），则两个相邻读数之差即为半波长λ/2。
