聲速的測(cè)量(空氣)B

1、北京科技大學(xué)天津?qū)W院北京科技大學(xué)天津?qū)W院物理實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)室聲速的測(cè)量聲速的測(cè)量前言前言聲速即聲波的傳播速度,聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的一種縱波.包括可聞聲波、次聲波、超聲波。 可聞聲波是 f20Hz 次聲波 20Hzf20KHz 超聲波超聲波波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射在實(shí)際生活中有廣泛的應(yīng)用： （一）工程學(xué)方面的應(yīng)用：水下定位與通訊、地下資源勘查等 （二）生物學(xué)方面的應(yīng)用：剪切大分子、生物工程及處理種子等 （三）診斷學(xué)方面的應(yīng)用：A型、B型、M型、D型、雙功及彩超等 （四）治療學(xué)方面的應(yīng)用：理療、治癌、外科、體外碎石、牙科等 本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度1了解聲速測(cè)量的基本原理。2學(xué)會(huì)兩種

2、測(cè)量聲速的方法。3掌握用逐差法處理數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)思路：1.產(chǎn)生一種聲波2.測(cè)出f3.測(cè)量4.計(jì)算聲速 f裝置裝置: :當(dāng)壓電陶瓷片兩端外加當(dāng)壓電陶瓷片兩端外加電壓電壓時(shí)，陶瓷時(shí)，陶瓷 片將產(chǎn)生伸縮形變，產(chǎn)生片將產(chǎn)生伸縮形變，產(chǎn)生超聲波超聲波 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng):當(dāng)壓電陶瓷片兩端受到當(dāng)壓電陶瓷片兩端受到應(yīng)力應(yīng)力作用時(shí)，作用時(shí)， 兩端面間將產(chǎn)生兩端面間將產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度，可，可 以加以測(cè)量。以加以測(cè)量。超聲波產(chǎn)生和接收超聲波產(chǎn)生和接收壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)2.S2.S2 2聲波信號(hào)聲波信號(hào) 壓電陶瓷片壓電陶瓷片 電信號(hào)電信號(hào) 示波器示波器超聲波產(chǎn)生和接收超聲波產(chǎn)生和接收S1S2LX信號(hào)發(fā)生器示波器游標(biāo)

3、卡尺A發(fā)出施加產(chǎn)生施加產(chǎn)生測(cè)量f 壓電陶瓷晶片的振蕩頻率約為壓電陶瓷晶片的振蕩頻率約為40KHz,40KHz,為了為了能得到較清晰的接收波形，應(yīng)將能得到較清晰的接收波形，應(yīng)將外加的驅(qū)動(dòng)信外加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率號(hào)頻率調(diào)節(jié)到換能器調(diào)節(jié)到換能器1 1、2 2的振蕩頻率的振蕩頻率40KHz40KHz左右左右，傳感器發(fā)生，傳感器發(fā)生共振共振時(shí)，才能較好地進(jìn)行聲時(shí)，才能較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換，能與電能的相互轉(zhuǎn)換，S S2 2才會(huì)有一定幅度的電才會(huì)有一定幅度的電信號(hào)輸出，才能有較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。信號(hào)輸出，才能有較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 調(diào)節(jié)方法：調(diào)節(jié)方法：調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率為調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率為39KHz39

4、KHz，在在十位上十位上微調(diào)信號(hào)發(fā)生器頻率，使示波器上出微調(diào)信號(hào)發(fā)生器頻率，使示波器上出現(xiàn)正弦波形，微調(diào)頻率現(xiàn)正弦波形，微調(diào)頻率個(gè)位個(gè)位使正弦波使正弦波波幅最大波幅最大，記下頻率值記下頻率值f f，即為聲速測(cè)量?jī)x的，即為聲速測(cè)量?jī)x的工作頻率。工作頻率。測(cè)量1.駐波法2.行波法1.駐波法（共振干涉法）：駐波法（共振干涉法）：S1S2xX信 號(hào) 發(fā)生器示 波器游標(biāo)卡尺A)2cos(1xtAy)2cos(2xtAytxAyyycos)2cos(2211)2cos(x.)2 , 1 , 0(2kkx 波節(jié)波節(jié)的位置為：的位置為： 可見，相鄰兩波幅和波節(jié)之間的距離都為：相鄰兩波幅和波節(jié)之間的距離都為：

5、/2即：即： 的各點(diǎn)即的各點(diǎn),.)2 , 1 , 0(4) 12(0)2cos(kkxx2x駐波法原理總結(jié) 當(dāng)兩個(gè)換能器之間的距離等于半波長(zhǎng)的當(dāng)兩個(gè)換能器之間的距離等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波整數(shù)倍時(shí)發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達(dá)到極大。由縱波的性質(zhì)可以證明，振動(dòng)幅達(dá)到極大。由縱波的性質(zhì)可以證明，振動(dòng)位移處于波節(jié)時(shí)，則聲壓是處于波腹。位移處于波節(jié)時(shí)，則聲壓是處于波腹。 實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)生實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)生共振共振時(shí)，接收器接收到的聲壓時(shí)，接收器接收到的聲壓最大，經(jīng)接收器轉(zhuǎn)換成的最大，經(jīng)接收器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也最強(qiáng)電信號(hào)也最強(qiáng)。當(dāng)接。當(dāng)接收器端面移動(dòng)到某個(gè)共振位置時(shí)如果示波器上收

6、器端面移動(dòng)到某個(gè)共振位置時(shí)如果示波器上出現(xiàn)了最強(qiáng)的電信號(hào)，繼續(xù)移動(dòng)接收器，在共出現(xiàn)了最強(qiáng)的電信號(hào)，繼續(xù)移動(dòng)接收器，在共振位置將振位置將再次出現(xiàn)最強(qiáng)再次出現(xiàn)最強(qiáng)的電信號(hào)，則兩次共振的電信號(hào)，則兩次共振位置之間的距離位置之間的距離x為為/2。 只要我們測(cè)出只要我們測(cè)出x的值就可以求出的值就可以求出根據(jù)駐波方程根據(jù)駐波方程:)12(222kxS1S2xX Y信 號(hào) 發(fā)生器示 波器游標(biāo)卡尺A2.行波法（相位比較法或李薩如圖形行波法（相位比較法或李薩如圖形法）：法）：x2121222xx），（.210k2211kx2xtxAyyycos)2cos(221x，計(jì)算，計(jì)算04243聲速測(cè)定儀傳感器及它的內(nèi)部

7、結(jié)構(gòu)數(shù)字示波器1cm信號(hào)發(fā)生器微調(diào)輸出端功能鍵信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器1.駐波法駐波法按右圖連線。按右圖連線。調(diào)節(jié)接收器和發(fā)聲器之間的距離為調(diào)節(jié)接收器和發(fā)聲器之間的距離為80mm，打開電源開關(guān)。，打開電源開關(guān)。復(fù)位示波器（復(fù)位示波器（SAVEF1），調(diào)節(jié)掃描速率為），調(diào)節(jié)掃描速率為10us/cm，CH1Y軸靈敏度軸靈敏度5mv/cm，電平方式改成電平方式改成“自動(dòng)電平自動(dòng)電平”（MENU3次次F3）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率為調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率為39KHz，在，在十位上十位上微調(diào)信號(hào)發(fā)生微調(diào)信號(hào)發(fā)生器頻率，使示波器上出現(xiàn)正弦波形，微調(diào)頻率器頻率，使示波器上出現(xiàn)正弦波形，微調(diào)頻率個(gè)位個(gè)位使正弦使正弦波波

8、波幅最大波幅最大，記下頻率值，記下頻率值f，即為聲速測(cè)量?jī)x的，即為聲速測(cè)量?jī)x的工作頻率工作頻率。轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，增大增大改變接收器和發(fā)聲器之間的改變接收器和發(fā)聲器之間的距離距離，觀察波，觀察波形的變化。當(dāng)形的變化。當(dāng)波幅最大波幅最大時(shí)，記下對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，記下對(duì)應(yīng)的位置X1的坐標(biāo)，然的坐標(biāo)，然后再同向轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，依次測(cè)出后再同向轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，依次測(cè)出X2，X3和和X4，記錄在表，記錄在表1內(nèi)。內(nèi)。再倒轉(zhuǎn)回再倒轉(zhuǎn)回X1坐標(biāo)以下，重復(fù)測(cè)量坐標(biāo)以下，重復(fù)測(cè)量5遍。遍。 注意：注意：5次測(cè)量必須在同一位置，測(cè)量時(shí)鼓輪必須次測(cè)量必須在同一位置，測(cè)量時(shí)鼓輪必須同方向同方向旋旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。S1S2LCH1信號(hào)發(fā)生器

9、示波器游標(biāo)卡尺A2.行波法行波法按右圖連線。按右圖連線。調(diào)節(jié)接收器和發(fā)聲器之間的距離為調(diào)節(jié)接收器和發(fā)聲器之間的距離為100mm，信號(hào)發(fā)生器的頻信號(hào)發(fā)生器的頻率與率與駐波法駐波法測(cè)量時(shí)的測(cè)量時(shí)的保持一致保持一致。電平方式改成電平方式改成“自動(dòng)電平自動(dòng)電平”，選擇選擇雙路雙路顯示，掃描速率為顯示，掃描速率為10us/cm，CH1Y軸靈敏度軸靈敏度5mv/cm，CH2軸靈敏度軸靈敏度200mv/cm，出現(xiàn)正弦波出現(xiàn)正弦波。讓示波器工作在讓示波器工作在XY模式下（模式下（HORI MENUF5），出現(xiàn)李），出現(xiàn)李薩如圖形。薩如圖形。轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，增大接收器和發(fā)聲器之間的距離，觀察李薩如圖轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，增大接收

10、器和發(fā)聲器之間的距離，觀察李薩如圖形的變化。當(dāng)圖形變成形的變化。當(dāng)圖形變成直線直線時(shí)，記下對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，記下對(duì)應(yīng)的位置X1的坐標(biāo)，的坐標(biāo)，然后再然后再同向轉(zhuǎn)動(dòng)同向轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，圖形鼓輪，圖形再次變成直線（此時(shí)方位改變?cè)俅巫兂芍本€（此時(shí)方位改變），），記下對(duì)應(yīng)的位置記下對(duì)應(yīng)的位置X2的坐標(biāo)，依次測(cè)出的坐標(biāo)，依次測(cè)出X3和和X4，記錄在表，記錄在表2內(nèi)。內(nèi)。再再倒轉(zhuǎn)倒轉(zhuǎn)回回X1坐標(biāo)一下，重復(fù)測(cè)量坐標(biāo)一下，重復(fù)測(cè)量5遍。遍。 注意：注意：5次測(cè)量必須在同一位置，測(cè)量時(shí)鼓輪必須同方向旋次測(cè)量必須在同一位置，測(cè)量時(shí)鼓輪必須同方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。S1S2LCH1 CH2信 號(hào) 發(fā) 生器示波器游標(biāo)卡尺A 位置次數(shù)X1（mm）X2（mm）X3（mm）X4（mm）12345平均值Xi表表1 駐波法聲速測(cè)量記錄表格駐波法聲速測(cè)量記錄表格 傳播介質(zhì)： 溫度T工作頻率fHz 位置次數(shù)X1（mm）X2（mm）X3（mm）X4（mm）12345平均值Xi表表2 行波法聲速測(cè)量記錄表格行波法聲速測(cè)量記錄表格 傳播介質(zhì)： 溫度T工作頻率fHz1 1、根據(jù)溫度、根據(jù)溫度T T計(jì)算空氣中聲速的理論值計(jì)算空氣中聲速的理論值空氣：c0=331.3(1+0.00183T)= m/s2 2、駐波法數(shù)據(jù)處理、駐波法數(shù)據(jù)處理(1)逐差法求波長(zhǎng)(2)c=f= m/s(3)誤差及百