大学物理实验超声波速测量实验报告
一实验目得
1.了解超声波得物理特性及其产生机制；
2.学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据；
3.测量超声波在介质中得吸收系数及反射面得反射系数；
4.并运用超声波检测声场分布。
5.学习超声波产生与接收原理，
6.学习用相位法与共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。
7.观察与测量声波得双缝干涉与单缝衍射
二实验条件
HLD－SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪
三实验原理
1、超声波得有关物理知识
声波就是一种在气体.液体、固体中传播得弹性波。声波按频率得高低分为次声波(〈20H ｚ）、声波（２0Hz≤≤2０ｋＨz）、超声波（>20ｋHz)与特超声波(≥10MHｚ），如下图。
声波频谱分布图
振荡源在介质中可产生如下形式得震荡波：
横波:质点振动方向与传播方向垂直得波,它只能在固体中传播。
纵波:质点振动方向与传播方向一致得波,它能在固体、液体、气体中得传播。
表面波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播得波,介质表面得质点做椭圆得振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度得增加衰减很快.
板波：在板厚与波长相当得弹性薄板中传播得波，可分为SH波与兰姆波。
超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特得特点：绕射现象小,方向性好,能定向传
播;能量较高,穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高得频率传得更远,而且在液体里得衰减与吸收就是比较低得；能在异质界面产生反射、折射与波形转换。
2、理想气体中得声速值
声波在理想气体中得传播可认为就是绝热过程，因此传播速度可表示为
（1）
式中Ｒ为气体普适常量（R=8、3１4Ｊ/(mol、ｋ））,就是气体得绝热指数（气体比定压热容与比定容热容之比）,为分子量，为气体得热力学温度，若以摄氏温度t计算，则：
代入式(1)得，
(2）
对于空气介质，０℃时得声速=331、45/s .若同时考虑到空气中得蒸汽得影响，校准后声速公式为:
(３）
式中为蒸汽得分压强,p为大气压强。
３、共振干涉法
设有一从发射源发出得一定频率得平面声波,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,反射面处为位移得波节。改变接收器与发射源之间得距离,在一系列特定得距离上,媒质中出现稳定得驻波共振现象。此时,等于半波长得整数倍，驻波得幅度达到极大；同时，在接收面上得声压波腹也相应地达到极大值。不难瞧出，在移动接收器得过程中,相邻两次达到共振所对应得接收面之间得距离即为半波长.因此，若保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间得距离（),就可以用计算声速。
声压变化与接收器位置得关系：
4、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,发射处得波与接收处得波得相位不同，其相位差可利用示波器得李萨如图形来观察。与角频率、传播时间之间有如下关系:
同时有：
,
（式中T为周期），代入上式可求得声速Ｖ。
得确定用如下方法：根据
当时，得.
实验时，通过改变发射器与接收器之间得距离,可观察到相位得变化。而当相位差改变时，相应得距离得改变量即为半个波长。为精确测定波长得值，在实际得操作中要连续测多个相位改变得点得坐标，再用逐差法算出波长得值,根据波长与频率值可求出声速。
行波法相位差图:
５声速测量及声波得双缝干涉与单丝衍射
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就是比较方便得。本实验用共振干涉法与相位比较法测量声音在空气中传播得声速；并研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波得反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学得物理规律与基本概念有更深得理解。
6、声波得干涉与衍射
双缝干涉实验装置如图1所示.对于不同得角，如果从双缝到接收器得程差就是零或波长得整数倍，就会产生相长干涉，因而观察到干涉强度得极大值;当程差就是半波长得奇数倍时，干涉强度有极小值。因此,干涉强度出现极大值与极小值得条件如下：
极大值： (4)
极小值：(5）
式中，n为零或整数，d为二个缝中心位置得距离,为声音得波长.
图１
衍射效应用超声波也可以观察到,采用1个单缝,如图２所示。当来自单缝得一半得辐射与来自另一半得辐射相差半波长奇数倍时，会产生相消干涉,因此相消干涉条件就是：
（6)
式中,n=0，±1，±2，……,a为单缝缝宽，为接收器离中心位置转过角度。
图2
三、实验内容
(一）：声音在空气中传播速度测量
1、调整测试系统得谐振频率
按图４将实验装置接好.正弦波得频率取40KＨz，调节接收换能器尽可能近距离，且使示波器上得电源信号为最大。然后,将两个换能器分开稍大些距离(约5—6ｃｍ），使接收换能器输入示波器上得电压信号为最大.再调节频率，使该信号确实为该位置极大值.此时信号源输出频率才最终等于二个换能器得固有频率。在该频率上，换能器输出较强得超声波。
2、在谐振频率处用共振法与相位法测声速。
当测得一声速极大值后,连续地移动接收端得位置,测量相继出现20个极大值所相应得各接收面位置,再用逐差法求波长值。
在用相位比较法时,将接收器与示波器得Ｙ轴相连，发射器与示波器Ｘ轴相连,即可利用李萨如图形来观察发射波与接收波得相位差,适当调节Ｙ轴与X轴灵敏度,就能获得比较满意得李萨如图形.对于两个同频率互相垂直得简谐振动得合成,随着两者之间相位差从0-－π变化,其李萨如图形由斜率为正得直线变为椭圆,再由椭圆变到斜率为负得直线。记录游标卡尺上读数时,应选择李萨如图形为直线时所对应得位置。每移动半个波长，就会重复出现斜率正负交替得直线图形.
３、本实验温度应正确仔细地测量(为什么？），并测出温度计干泡温度与湿泡温度,查表得到该状态下得值,再测得实验室当时得气压值p,（干燥天气可不必测量与ｐ)（详见参考资料1与3），则可由式（3）求出声速值。
4、将上述两种方法得测量结果比较，计算相对偏差.
选做实验：（设计性实验)
