用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度

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。

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。