用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度

南昌大学物理实验报告
课程名称：大学物理实验
实验名称：
学院：食品学院专业班级：生物工程151班
学生姓名：冯思麟学号：**********
实验地点：基础实验大楼B211座位号：
实验时间：第五周星期一上午十点开始
一、实验目的：1.学会测量超声波在空气中的传播速度的方法
2.学会用逐差法进行数据处理；
3.理解驻波和震动合成理论。
八、附上原始数据：
五、实验数据与处理：
表1 f=38.167kHz
项目
S2坐标/mm
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X8
X9
X10
15.365
19.368
24.475
28.969
33.490
37.081
42.617
46.142
51.790
56.210
逐差
X6-X1
X7-X2
X8-X3
X9-X4
X10-X5
21.725
23.249
七、思考题：
1、为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测定？
答：因为在谐振频率下，反射面之间的声压达极大值。这样从示波器上观察到的电压信号幅值为最大，从而更利于观察。
2、要让声波在两个换能器之间产生共振必须满足那些条件？
答：1、两个换能器的发射面与接受面互相平行。
2、两个换能器间的距离为半波长的整数倍。
（1）即当 和 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 ，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 所移过的距离为：

超声声速的测定
﹡实验目的与要求
1. 掌握用驻波法和相位比较法测量空气中的声速 2. 加深对驻波和振动合成理论知识的理解，了解
超声压电换能器的结构和原理 3. 进一步掌握信号源和示波器的使用，培养综合
使用仪器能力
﹡实 验 原 理
一、 共振干涉法（驻波法） p
波腹 L
干涉而成驻波
S1发射
S2反射
波 节
二、 相位比较法（行波法）
L 干涉而成驻波
S1发射
S2反射
声源S1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Δj不随时间变化。
j 2 L
S1接X通道,S2接Y通道，移动S2,得到如下李萨如图形：
j 0 j
2
j j 3
2
结论：每次出现重复图形S2移动的距离为λ
2
3
2
2
L
S2表面声压与其位置的关系
当换能器S1与S2的表面平行时，由换能器S1的震动产生的 超声波在S1、S2两表面之间形成驻波，在接收换能器S2处 是振幅的波节位置（理论推导）、声压的波腹位置，即该
处位移为零，声压最大。当S1、S2的间距满足一定条件时， 出现稳定的驻波现象，此时接收器S2表面的声压振幅最大， 改变S1、S2的间距，可以测量到一系列的声压最大的位置， 而这些相邻位置的间距就是超声波半波长的大小。
同李萨如图形时所对应的接收头的坐标
﹡数据记录与处理
1.逐差法计算波长 ，得到10 L5 L9 L4 L6 L1
位
1 25
l10 l5
l9 l4
l6 l1
2.计算超声波在空气中传播速度的公认值 v公认 ，求出两种测

声速的测量信息工程学院、生物医学工程、李杰（61034110132）实验目的1、学会测量超声波在空气中的传播速度的方法，理解驻波和振动合成理论。

2、学会用逐差法进行数据处理。

3、了解声波在空气中的传播速度与气体状态参量的关系。

4、了解压电换能器的功能和培养综合使用的能力。

实验仪器声速测量仪、示波器、信号发生器、信号接受器实验原理1、声音在空气中传播2、声波的速度与空气的状态有关参量（温度、比热比、单位气体摩尔质量、湿度）3、声波是纵波具有振动频率和波长4、声波叠加形成驻波，波节出压力最大（电信号最强）实验方法由v=f·λ(v为声速、f为声源振动频率、λ为声波波长)求的声波频率f和波长λ，就可求的波长。

※相位法波在传播方向的传播是相位的传播，在传播方向上，任何振动状态相同的两点之间的距离就是波长的整数倍。

L=nλ（n为正整数）得到λ=L/n利用超声波发射器发出声波，在接收器的端面上各点具有相同的振动状态且找到信号与发射器所激发的信号相同的位置(a)，沿着波的传播方向移动，当接收器的端面上出现相同振动状态的点时停止,位置（b）。

移动的距离就是声波的波长。

即λ=ab两点间的距离。

（在操作中，用示波器测定信号时，接收器端面的声波与声源不同相，具有一点的相位差，可以利用双踪示波器比较发射器哦信号和接收器的信号来测量声波的波长）实验步骤：1、按要求连接电路图1-1 相位法测声速实验装置图2、将示波器的秒格旋钮旋至X--Y挡，信号发生器接示波器的CH2通道，利用李萨如图形观察发射波与接受波的位置差，找出相同点。

3、达到共振后，将S2移近S1，再缓慢移开S2，当示波器上出现450倾斜线时，微调游标卡尺的微调螺丝，将图形稳定，记下S2的位置Χ104、缓慢移开S2，依次记下20个示波器上李莎茹图形为直线时游标卡尺的读数Χ1 1、Χ12、Χ13··········Χ120。

实验十二 声速测量 编辑：李家望 赵斌摘 要 本实验通过压电换能器将声波转换为电信号，从而利用示波器测量了空气中的声速。

相对不确定度为1.9%和1.3%。

关键词 压电换能器，声波，电信号，示波器，声速 实验目的1． 利用共振干涉法和位相比较法测量超声波在空气中的传播速度。

2． 加强对驻波及振动合成等理论的理解。

实验原理1．声波在空气中传播速度：理想气体μγRT v =V P C C /=γ为比热容比，μ是气体的摩尔质量。

在室温时，声速的近似理论公式为：15.273145.331100t T t v v +≈+= （m/s ）2．压电换能器工作原理压电换能器是一种多晶结构的压电陶瓷材料，被极化的压电陶瓷具有压-电效应。

超声波的产生是利用压电陶瓷的逆压电效应使电压变化转变为声压变化，超声波的接收则是利用压电陶瓷的正压电效应使声压变化转变为电压变化。

3．共振干涉法（驻波法）测声速实验装置如图一所示。

图中S 1、S 2为压电陶瓷喇叭，S 1接函数信号发生器，作为超声波源； S 2为接收器，接二踪示波器，且能在接收声波的同时反射部分声波。

这样，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因同频率，同振动方向，传播方向相反相干涉而形成驻波。

移动S 2即改变L ，当S 2将经过波腹时，声波信号最强，在示波器上得到的信号振幅最大；当S 2将经过波节时，在示波器上得到的信号振幅最小（因反射声波（会衰减）振幅小于入射声波振幅，合成后波节振幅不为零）。

S 2将经过一系列波腹，波节的位置，示波器上的信号幅度会周期性变化，任意两个相邻波腹（节）的距离，通过S 2的移动的距离由游标卡尺可测得：必满足 ΔL = L n +1- L n =λ/2又声波频率f 由函数信号发生器上读得，可得声速： v =λ f =2ΔL f 4．位相比较法（行波法）测声速实验装置如图二所示。

将函数信号发生器的交变信号输入S 1的同时输入示波器的X 轴（CH1通道），将S 2输出的信号接入示波器的Y 轴（CH2通道），则示波器上就会出现李萨如图形。

超声波传播速度的测量超声波传播速度的测量【教学⽬的】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。

【教学重点】1. 掌握本实验的原理，熟悉各仪器的使⽤。

2. 能够运⽤驻波共振法和相位⽐较法准确的测出超声波在空⽓中的传播速度。

【教学难点】理解并掌握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的原理及⽅法。

【课程讲授】提问：1. 本实验中的超声波是如何获得的？2. 如何利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？⼀、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。

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：22见图(a)0=?? (b)4π?=(c)2π?=? (d)43π?=? (e)π?=? 图3 合成振动长λ和频率f ，根据式f ?=λυ即可计算出声⾳传播的速度。

改变S1和S2之间的距离L ，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L 不断变化。

显然，当S1、S2之间距离改变半个波长2/λ=?L ，则??＝π。

超声声速测量实验报告实验目的：通过测量超声波在介质中传播的时间，计算出声速。

实验原理：超声波是指频率高于人耳能听到的最高频率20kHz 的声波。

在实验中，可以用超声波测量仪测量超声波在不同介质中传播的时间，通过已知距离除以时间，可以得到声速。

实验装置：超声波发生器、超声波接收器、示波器、计时器、测量尺。

实验步骤：1. 将超声波发生器和超声波接收器连接到示波器上，并将示波器调节到合适的显示范围。

2. 使用测量尺测量超声波在空气中的传播距离，并记录下来。

3. 打开超声波发生器和接收器的电源开关，并调节超声波频率和强度。

4. 用计时器测量超声波从发生器发出到接收器接收到的时间，并记录下来。

5. 将超声波发生器和接收器放入水中，重复步骤2-4，分别测量超声波在水中的传播距离和时间。

6. 用已知的距离除以测得的时间，即可得到声速。

实验数据记录：- 空气中传播距离：30cm- 空气中传播时间：2.5ms- 水中传播距离：30cm- 水中传播时间：1.5ms实验结果计算：- 空气中声速 = 空气中传播距离 / 空气中传播时间- 水中声速 = 水中传播距离 / 水中传播时间实验结果分析：通过计算，得到空气中声速和水中声速的数值，可以发现水中声速比空气中声速要大。

这是因为声速与介质的密度和弹性有关，水的密度比空气大，所以声速也相应增加。

实验误差和改进：1. 计时器的误差：计时器的精度可能会带来一定的误差，可以尝试使用更精确的计时器进行测量。

2. 超声波的发射角度：超声波的传播方向可能会受到发射角度的影响，应尽量保证超声波直线传播。

3. 环境因素的干扰：实验室中可能存在其它声音的干扰，可以选择较为安静的环境进行实验。

实验总结：通过超声声速测量实验，我们可以通过测量超声波在介质中传播的时间，计算出声速。

这个实验可以帮助我们了解声波在不同介质中的传播特性，以及介质对声速的影响。

同时，实验中应注意排除干扰因素，保证实验结果的准确性。

声波在不同介质中的传播速度测量方法声波是一种在空气、水、固体等介质中传播的机械波。

了解声波在不同介质中的传播速度对于许多领域都具有重要意义，例如地震学、医学成像和无损检测等。

本文将介绍几种常用的声波传播速度测量方法。

1. 时差法时差法是最简单、最常用的测量声波传播速度的方法之一。

该方法利用声波从源点到接收点的传播所需的时间差来计算速度。

首先，在介质中设置一对源点和接收点，然后通过控制源点发出的声波信号，在接收点上同时接收到声波信号。

利用声波传播的速度等于传播的距离除以传播的时间的关系，可以测量声波在介质中的传播速度。

2. 声速仪声速仪是一种用于测量声波传播速度的仪器。

它通过发射声波信号，并测量信号从发射器到接收器所需的时间来计算声波传播速度。

声速仪使用超声波的原理，将发射器和接收器置于介质中，通过计算声波传播的时间差来得到传播速度。

声速仪广泛用于材料的非破坏性检测、地质勘探和水下测量等领域。

3. 粒子成像方法粒子成像方法是一种通过探测和分析声波传播过程中微小颗粒的运动轨迹来测量声波传播速度的方法。

在介质中加入微小颗粒，例如微米级的粉末或液滴，然后利用激光束照射颗粒，观察颗粒的运动轨迹。

通过测量颗粒在特定时间段内移动的距离和时间，可以计算声波在介质中的传播速度。

粒子成像方法在研究流体力学和材料科学中具有广泛应用。

4. 超声多普勒方法超声多普勒方法是一种利用多普勒效应测量声波传播速度的方法。

多普勒效应是指当声源和接收器之间相对运动时，声波的频率会发生变化。

通过测量接收到的声波信号的频率变化，可以计算声波传播速度。

超声多普勒方法常用于医学成像领域，如超声心动图和血流检测。

总结声波在不同介质中的传播速度可以通过多种方法进行测量。

时差法是最简单、最常用的方法，而声速仪、粒子成像方法和超声多普勒方法则适用于不同领域和具体情况。

通过学习和研究声波传播速度的测量方法，可以更好地理解声波在介质中的行为，为相关应用提供理论支持和技术改进。

y2

A cos t
2
x

（4）
大 这两列波叠加后的合成为
南 东
y

y1

y2

Acos t
2
x
Acos t
2
x
(5)

2 A cos
2
电极
头部（铝）
中 距离。S1和S2之间的距离由毫米分度尺与测微 学 鼓轮的组合读出。
两个换能器的性能完全相同，是压电陶瓷
验 超声换能器，其结构如图 8 所示。压电陶瓷超
级 声换能器由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。
1 实 压电陶瓷片（如钛酸钡、锆钛酸铅等）是由一 1 种多晶结构的压电材料做成的，在一定温度下
测量氯气、蔗糖、硫酸等气体或溶液的浓度；测定输油管中不同油品的分界面等等。
使 本实验是测定超声波在空共振干涉法、相位比较法和时差法测量声波在空气中的传播速度； 中 2． 了解压电换能器的功能及发射和接收超声波的方法。
学 实验原理 验 在理想气体中声波的传播速度为
大，变到极小，再变到极大。幅度每经一次周期性变化，就相当于S1与S2之间的距离改变了 半波长/2。S1与S2间距的变化用螺旋测微装置测得，超声波源的振动频率f仪器上显示，这
使 样就可以求得声速v。
心 2．相位比较法
生 实验装置如图 1 所示。从超声源S1发出的超声波通过介质到达接收头S2，在发射波和接 中 收波之间产生了相位差。分别将发射波和接收波输入示波器的“CH1”和“CH2”通道，可
学 以观察到如图 3 所示的波形。图中的就是两者之间的相位差，改变S1和S2之间的距离，可
以观察到的变化。此相位差和角频率（f）、传播时间、声速v、S1和S2之间的距

用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度超声波测声速实验报告用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度【目的要求】1. 进一步熟悉信号发生器和示波器的使用；2. 了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解；3. 用相位法和共振法测定超声波在空气中的传播速度。

【引言】声音是由于声源的振动而产生的，它通过周围弹性媒质的振动向外传播而形成声波(纵波)。

声波的波长、强度、传播速度等是声波的重要性质，其中声速的测量在实际应用中有着十分重要的意义。

声速可以利用它与频率和波长之间的关系( )来测量，其中波长的测量是解决问题的关键。

既然声音是以波的形式传播，就有可能利用驻波法测定其波长，进而确定其波速。

其中共鸣管就是测定声音在空气中传播速度的一种装置。

频率在之间的声波称为超声波，它具有波长短、能定向传播等优点。

超声波在测距、定位、测液体流速、测材料弹性模量以及测量气体温度瞬间变化等方面有着广泛的应用。

本实验还将利用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度，通过本实验可以进一步了解声波在空气中传播速度与气体状态参量的关系以及超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解等。

【实验原理】声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为：(11.1) 可见，只要测出声波的频率和波长，即可求出声速。

f可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。

根据超声波的特点，实验中可以采用几种不同的方法测出超声波的波长：１．相位法：波是振动状态的传播，也可以说相位的传播。

沿传播方向上的任何两点，如果其振动状态相同(同相)或者说其相位差为的整数倍，这时两点间的距离应等于波长的整数倍，即：(11.2)利用式(11.2) 可精确地测量波长。

由于发射器发出的是近似于平面波的声波(图11-5),当接收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收到的信号与发射器激励信号同相。

超声波测量声速一、实验目的：1. 掌握两种测量声波在空气中传播速度的方法。

2. 进一步加深对波的及格特征量的理解。

二、实验器材：声速测定仪、功率函数发生器、示波器各一台。

三、实验原理：1. 空气中的声速温度为t℃时空气中的声速可以表示为vt331.5273.15tm s 1 （1）273.15在实验室中经常采用驻波法和行波法测定波长λ，由频率计直接读出频率f，然后由v f求出声速。

实验中采用超声波测声速。

超声波的发射（声速测量仪上的S1）和接收（声速测量仪上的S2）是用压电陶瓷换能器进行的。

发射源S1受到信号发生器输出的正弦电压的激励而发出超声波。

接收器S2把接收到的声波转换成正弦电压信号，输入示波器观察。

2. 驻波法理论证明，只有当S1,S2的距离L为声波半波长的整数倍时，即L n2，(n=1,2,3…)才能在S1,S2之间形成稳定的驻波共振现象，驻波的幅度达到极大，此时在示波器荧光屏上的电压信号也相应极大。

移动S2，每移动半个波长，示波器上的电压信号就达到一个极大值，通过移动的距离可知半波长数值，读出功率函数发生器的输出频率，就可知声速。

3. 行波法将接收信号的换能器S2的端面转过一个角度，使其与S1不平行，则S1,S2之间的空气柱内只存在S1发射的行波。

在同一时刻，S1,S2表面处声波的位相差Φ与S1,S2之间距离L的关系为2L当L2k2和L(2k1)2时，对应的位相差分别为2k和＝（2k1)，k为整数。

同频率不同相位的两个相互垂直的谐振动合成时，其李萨如图形如教材图6－5－3所示。

固定S1,移动S2，当荧光屏显示斜率为正的直线时，两线号相位差为2kπ，当荧光屏显示斜率为负的直线时，两线号相位差为（2k＋1）π。

四、实验内容：1.寻找共振频率f打开示波器和功率函数发生器。

把S1,S2的距离调节到比较接近的位置（3－5厘米即可）。

移动S2，当示波器上振幅出现最大时停止。

缓慢调节功率函数发生器，当示波器上的振幅达到最大时，此时的频率为共振频率，填入表格。

清 华 大 学 实 验 报 告系别：机械系 班号：机械72班 姓名：车德梦 （同组姓名： ） 作实验日期 2008年 11月 19日 教师评定：实验2.10声速测量一、实验目的（1）了解声波在空气中传播速度与其他状态参量的关系；（2）了解超声波产生和接受的原理，学习一种测量空气中声速的方法，加深相位的概念。

二、实验原理1.声波在空气中的传播速度 在理想气体中声波的传播速度为v =式中γ为比热容比，即气体定压比热容预定容比热容的比值，M 是气体的摩尔质量，T 是绝对温度，8.31441J/(mol K)R = 为普适气体常数。

由上式可见，声速和温度有关，又与摩尔质量M 及比热容比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。

利用上式的函数关系还可制成声速温度计。

在正常情况下，干燥空气成分按质量比为：222:::78.084:20.946:0.934:0.033N O Ar CO m m m m =它的平均摩尔质量为328.96410kg/mol a M -=⨯。

在标准状态下，干燥空气中的声速为0331.5m/s v =。

在室温t 下，干燥空气中的声速为v v =式中0273.15K T =。

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 M 和比热容比γ的修正，在温度为t 、相对湿度为r 的空气中，声速为v =式中s p 为室温湿空气的饱和蒸气压，可从饱和蒸气压和温度的关系表中查出；p 为大气压，取51.01310Pa p =⨯即可；相对湿度r 可从干湿温度计上读出。

有这些气体参量可以计算出声速，故上式可作为空气中声速的理论计算公式。

2. 测量声速的实验方法声波的传播速度v 与声波频率f 及波长λ的关系为v f λ=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，剩下的任务就是测量声波波长，也就是本实验的主要任务。

测量超声波在空气中的传播速度【实验简介】声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。

声波的振动频率在20Hz～20KHz时，可以被人听见；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20KHz的声波称为超声波。

对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。

声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。

本实验分别采用驻波法和相位法测量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. 了解产生和接收超声波的原理。

【预习思考题】1. 什么是驻波以及驻波的特点是什么？2. 什么是共振？如何判断测量系统是否处于共振状态？3. 如何确定最佳工作频率？4.相位法中比较的相位是哪两个相位？【实验仪器】示波器，声速测试仪，信号发生器。

【实验原理】1. 声速的测量声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系：测出声波波长和声源的振动频率就可以由式（4.2.1）求出声波的传播速度。

声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。

1.1 驻波法测声速驻波法就是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波进行测量的。

由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。

改变声源和刚性反射面之间的距离l ，驻波场中各质点振动的振幅也在发生变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足 2λn l = （4.2.2）时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。

保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x ，在满足式（4.2.2）的位置上可以观察到驻波共振状态。

由式（4.2.2）可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离x ∆为2λ，即 2λ=∆x ( 4.2.3)只要测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离x ∆，就可以求出声波的波长，从而由式( 4.2.1 )计算出声速。

实验仪器（2）- 双踪示波器
Y (X) 轴位移
X轴位移
扫描 频率 微调
扫描频 率调节
触发 电平
Y轴 增益 Y (X) 轴增益
Y (X) 轴输 入
Y轴 位移
Y轴 输入
实验仪器（3）- 信号发生器
波形选择 波段选择
频率显示
频率调 节
输出振幅调节
实验原理
1.声波在空气中的传播速度（温度为t）：
0
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。 相邻两次最大电压之间的位置差的绝对值应等于声波 波长的二分之一。
2
实验原理
2、相位比较(行波)法测声速 当接收器和发射器的距离变化等于一个波长时，则发射与 接收信号之间的相位差也正好变化一个周期(即ΔΦ=2π)，相 同的图形就会出现。所以，当准确观测相位差变化一个周期时 接收器移动的距离，即可得出其对应声波的波长λ，再根据声 波的频率，即可求出声波的传播速度
3、用逐差法计算出波长值，数据记录与计算用列表法进 行，对实验结果进行不确定度估算。记下室温，在此 温度下空气中声速的理论值，实验结果与理论值比较， 计算百分误差。最后，实验结果用标准形式表示。
思考题及注意事项
1、实验时怎样找到超声换能器的谐振频率？ 2、用相位比较法和共振干涉法测量波长时有什么区别？ 3、用弦振动法可以测量波在弦上传播的速度，比较好的 办法是测量形成驻波时波节间的距离，而不是测量波 腹间的距离，为什么？ 4、实验中采用逐差法处理数据有什么好处？怎样用作图 法和最小二乘法处理数据？
超声波测声速
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和技术； 3．熟悉测量仪和示波器的调节使用； 4．测定声波在空气的传播速度。

一、实验目的1. 理解超声波的基本物理特性和产生机制。

2. 掌握相位法测量超声波声速的方法。

3. 学会使用逐差法处理实验数据。

4. 测量超声波在介质中的吸收系数和反射系数。

5. 运用超声波检测声场分布。

6. 学习超声波的产生与接收原理。

7. 通过相位法与共振干涉法测量声音在空气中的传播速度，并与公认值进行比较。

8. 观察与测量声波的双缝干涉与单缝衍射现象。

二、实验原理超声波是一种频率高于人耳听觉上限（约20kHz）的声波。

其传播速度与介质的性质有关，主要受到介质密度和弹性模量的影响。

本实验采用相位法测量超声波声速，即通过测量超声波的波长和频率，计算出声速。

三、实验器材1. 型声速测量综合实验仪2. 示波器3. 信号发生仪4. 声波发射器5. 声波接收器6. 温度计7. 卷尺8. 秒表四、实验步骤1. 将实验仪器的各个部分连接好，包括声波发射器、声波接收器、示波器、信号发生仪等。

2. 校准实验仪器，确保其工作正常。

3. 测量环境温度，并记录数据。

4. 使用相位法测量超声波在空气中的传播速度：a. 将声波发射器与信号发生仪连接，调整信号发生仪的频率至超声波频率范围。

b. 将声波接收器放置在距离声波发射器一定距离的位置。

c. 在示波器上观察声波信号，调整声波接收器的位置，直到在示波器上观察到两个同相的声波信号。

d. 测量两个同相信号之间的距离，即为超声波的波长。

e. 计算超声波的传播速度：声速 = 频率× 波长。

5. 使用共振干涉法测量超声波在空气中的传播速度：a. 将声波发射器与声波接收器放置在共振腔内。

b. 调整信号发生仪的频率，直到在共振腔内观察到共振现象。

c. 测量共振频率，并计算超声波的传播速度：声速 = 频率× 波长。

6. 测量超声波在介质中的吸收系数和反射系数：a. 将声波发射器与声波接收器放置在待测介质中。

b. 调整信号发生仪的频率，使超声波在介质中传播。

c. 测量超声波在介质中的传播速度，并计算吸收系数和反射系数。

li
，连续测 10 点，将数据填入表中，用逐差法处理数据。
数据处理与结果
1.驻波法测声速 项 X1 目 逐差 10Δx
46.5 88
S2 坐标/mm X2
50.9 85
X3
54.6 10
X4
59.1 42
X5
63.8 50
X6
68.3 20
X7
72.8 82
X8
77.5 24
X9
82.2 32
X10
29.9 85
S2 坐标/mm X2
38.6 83
X3
45.4 75
X4
54.7 02
X5
63.8 08
X6
72.9 00
X7
82.2 98
X8
91.5 66
X9
101. 768
X10
110. 970
X11-X1 89.190
X129.316
x n 2 (n 1， 2， ) 时，声振动振幅最大，为
2 A ，称为波
x (2n 1)
4
(n 1， 2， ) 时，声振动振幅为零，这些点称
为波节。 其余各点的振幅在零和最大值之间。 两相邻波腹 （或
波节）间的距离为 2 ，即半波长。
一个振动系统，当激励频率接近系统的固有频率时，系 统的振幅达到最大，称为共振。当信号发生器的激励频率等 于驻波系统的固有频率时，发生驻波共振，声波波腹处的振 幅达到相对最大值，此时便于测出波长 ，再由 v
86.7 00
X11-X1 44.722
X12-X2 45.025 9.005
X13-X3 45.928 9.186
X14-X4 46.063 9.213

实验4用超声波测量声速实验四用超声波测量声速声速与传声媒质的特性及状态有关，因此通过声速的测量，可以了解被测媒质的特性及状态的变化，如可进行气体成分的分析，测定液体的比重，溶液的浓度，确定固体材料的弹性模量等。

我们只研究声波在空气中的传播，并测量其传播速度。

实验目的：1、测量声波在空气中的传播速度,学习测量声速的方法。

2、加深对波的相位和波的干涉的理解。

实验仪器：换能器（有两个，一个固定于超声声速测定仪上，一个随卡尺的游标移动）、专用信号源、超声声速测定仪、示波器、连接线。

实验原理：设波速为v,波长为λ和频率为ｆ，它们之间有如下关系： v＝λｆ（1）因此，一般是根据（１）式,将声速的测量变成声波波长和声波频率的测量。

由于都用交流电讯号控制发声器（即换能器），所以声波频率就是交流电讯号的频率，可以用频率计测量其频率（本实验在信号源上直接读出），而声波波长的测量常用相位比较法（行波法）和共振干涉法（驻波法）来测量其波长。

一、相位法如图一所示，设声源从X=0处出发的平面简谐波沿X轴的正方向传播,在X=0处的振动方程为: Ｙ0＝Ａcosωｔ (2) 式中Ａ为振幅,ω为圆频率, Ｙ0是Ｘ=０处质点在 t时刻离开其平衡位置的位移。

设在传播过程中, 各点振幅不变,则任一点 p 在任一时刻的位移为: Ｙp＝Ａcosω(t-x/v) (3) 式中ω＝２πｆ，则，上式可写成：Ｙp＝Ａｃｏｓ２π（ｆｔ－x/λ） (4) 由此可见，离O点不同距离的各点,具有不同的振动相位,０与Ｐ两点的相位差为:图一△α＝２πx/λ (5）如Ｘ＝Ｋλ（Ｋ＝±１，±２，?），则由（5）式可得：△α＝２Ｋπ如Ｘ＝（２Ｋ＋１）λ/２（Ｋ＝０，±１,±２，?），则由（5）式可得：△α＝（２Ｋ＋１）π就是说，声波沿Ｘ轴传播时，随Ｘ不同具有不同的相位：Ｘ为波长λ整数倍的各点，与声源具有相同的相位；Ｘ为半波长奇数倍的各点，与声源具有相反的相位。

其
是波长，x为S1和S2之间距离)。因为x改变一
个波长时，相位差就改变 2 。利用李萨如图形就 可以测得超声波的波长。
0
反向点和同相点的判断图形
四、实验步骤
（1）超声声速测定仪:游标卡尺读数精度0.01mm，按下黄键复 零，调节蓝键，使显示mm，测量之前一定要复位。 （ 2）从两换能器相距 1cm 左右开始，由近及远移动接收换能 器，观察示波器上的接收信号的变化情况，记下第 1 、 2 、
数据处理要求：
1、按讲义要求，分别处理三组数据：
s( ), f s( f ), v s(v ),
其中
s( f ) 0.1 0 0 , s( f ) f 0.1 0 0 , f
s( v )
利用误差传递公式。
直接测量算术平均值的实验标准差
2 ( x x ) i i 1 n
s( )
n( n 1)
n≥5
v f , v v s(v ),
间接测量量的实验标准误差(P13—14)
s( v ) ln v 2 2 ln v 2 2 ( ) s ( f )( ) s ( ) 2 s 2 ( f ) f 2 s 2 ( ) , v f s( v ) s( v ) v v
时的声速)。V的单位为m/s。
（6）先找到共振频率f0 驻波法 方式“Y2”,内触发“Y2” 行波法 方式“交替”,内触发“Y1” 李萨如法 “X-Y”
五、注意事项
1、确保换能器S1和S2端面的平行，信号发生器的
输出端严防“短路”。
2、使用游标尺测量移动距离时，必须轻而缓慢地
调节，手勿压游标尺。
3、信号发射器的信号输出幅度不要过大，避免仪 器过热而损坏。 4、实验时要使函数信号发生器的输出频率等于换 能器的谐振由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f