聲速的測(cè)定實(shí)驗(yàn)

聲速的測(cè)量聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的縱波。聲速則是描述聲波在媒質(zhì)中傳播特性的一個(gè)基本物理量。測(cè)量聲速最簡單的方法之一就是利用聲速與振動(dòng)頻率f和波長入之間的關(guān)系即（V=f）求出。本實(shí)驗(yàn)要測(cè)量的是超聲波在空氣中的傳播速度。超聲波是頻率為2X1°4一109Hz的機(jī)械波，它具有波長短，易于定向發(fā)射等特點(diǎn)。所以應(yīng)用非常廣泛，如醫(yī)用B超、超聲洗牙機(jī)、超聲探測(cè)器、超聲碎石機(jī)、超聲驅(qū)蚊機(jī)、超聲測(cè)距儀等等。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)用共振干涉法和位相法測(cè)量超聲波在空氣中的傳播速度。學(xué)會(huì)使用示波器和信號(hào)發(fā)生器。加強(qiáng)對(duì)駐波及振動(dòng)合成等理論的理解。實(shí)驗(yàn)儀器1.發(fā)射換能器；2.游標(biāo)卡尺主尺；3.接收換能器；4.換能器固定螺絲；5.游標(biāo)鎖定螺絲;6.游標(biāo)細(xì)調(diào)螺絲；7.支架；8.信號(hào)輸入插孔；9.減震片；10.信號(hào)輸出插孔圖3-14-1聲速測(cè)量儀結(jié)構(gòu)簡圖聲速測(cè)量儀、示波器、信號(hào)發(fā)生器等。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)用的共振干涉法和位相比較法，測(cè)量其頻率f和波長入來算出聲速。實(shí)驗(yàn)裝置聲速測(cè)量儀主要由支架，游標(biāo)卡尺和兩只超聲波壓電換能器組成，如圖3-14-1所示。兩只超聲波壓電換能器的位置分別與游標(biāo)卡尺的主尺和游標(biāo)相對(duì)定位，所以兩只超聲壓電換能器相對(duì)位置間距離的變化量可在游標(biāo)卡尺上直接讀出；兩只超聲換能器，一只為發(fā)射超聲波換能器（電聲轉(zhuǎn)換），另一只為接收超聲波換能器（聲電轉(zhuǎn)換），其結(jié)構(gòu)完全相同。發(fā)射器的平面端面用來產(chǎn)生平面超聲波，接收器的平面端面則為超聲波的接收面。超聲波壓電換能器工作在超聲范圍，能保持實(shí)驗(yàn)室安靜，而且發(fā)射的是單方向的平面超聲波，方向性強(qiáng)，超聲波的聲強(qiáng)隨距離的增加衰減較小。實(shí)驗(yàn)儀所用支架的結(jié)構(gòu)采用了減震措施，能有效地隔離兩超聲換能器間通過支架而產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)耦合。從而避免了由于超聲波在支架中傳播而引起的測(cè)量誤差。共振干涉法（駐波法）實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-14-2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)將信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦電壓信號(hào)接到發(fā)射超聲換能器上，超聲發(fā)射換能器通過電聲轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)變?yōu)槌暡?，以超聲波形式發(fā)射出去。接收換能

器通過聲電轉(zhuǎn)換，將聲波信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，送入示波器觀察。由聲波傳播理論可知，從發(fā)射換能器發(fā)出一定頻率的平面聲波，經(jīng)過空氣傳播，到達(dá)接收換能器。如果接收面和發(fā)射面嚴(yán)格平行，即入射波在接收面上垂直反射，入射波與反射波相互干涉形成駐波。此時(shí)，兩換能器之間的距離恰好等于其聲波半波長的整數(shù)倍，在聲駐波中，波腹處聲壓最小，波節(jié)處聲壓最大。接收換能器的反射界面處為波節(jié)，聲壓效應(yīng)最大。所以可從接收換能器端面聲壓的變化來判斷超聲波駐波是否形成。移動(dòng)卡尺游標(biāo)，改變兩只換能器端面的距離，在一系列特定的距離上，媒質(zhì)中將出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象，此時(shí)，'等于半波長的整數(shù)倍，只要我們監(jiān)測(cè)接收換能器輸出電壓幅度的變化，記錄下相鄰兩次出現(xiàn)最大電壓數(shù)值時(shí)卡尺的讀數(shù)（兩讀數(shù)之差的絕對(duì)值等于超聲波波長的二分之一），則根據(jù)公式：V=入f就可算出超聲波在空氣中的傳播速度。其中超聲波的頻率由信號(hào)發(fā)生器直接讀得。為提高測(cè)量精度，應(yīng)充分使用整個(gè)卡尺行程，盡可能多的取得產(chǎn)生駐波時(shí)的卡尺讀數(shù)，然后將所得的數(shù)據(jù)用逐差法進(jìn)行處理，最后得到更為準(zhǔn)確的聲波波長。圖3-14-3圖3-14-3位相比較法實(shí)驗(yàn)線路圖位相比較法（行波法）位相比較法接線如圖3-14-3所示，聲波波源振動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。發(fā)射面向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，使得前面的空氣變得稠密，發(fā)射面向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，使前面的空氣變得稀疏。通過空氣質(zhì)點(diǎn)間的相互作用，這種疏密狀態(tài)由聲波波源向外傳播，形成波動(dòng)過程。在聲波傳播方向上，所有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位相逐一落后，各點(diǎn)的振動(dòng)位相又隨時(shí)間變化，但它們的振動(dòng)頻率與聲源相同。因此，聲場(chǎng)中任一點(diǎn)與聲源間的位相差不隨時(shí)間變化。聲波波源和接收點(diǎn)存在著位相差，而這位相差則可以通過比較接收換能器輸出的電信號(hào)與發(fā)射換能器輸入的正弦交變電壓信號(hào)的位相關(guān)系中得出，并可利用示波器的李薩如圖形來觀察。位相差中和角頻率°、傳播時(shí)間t之間有如下關(guān)系：中=st°=同時(shí)有，，'=lv，X=Tv（式中T°=同時(shí)有，2兀l（3-14-2）平'（3-14-2）當(dāng)‘2 （n=1，2，3，...）時(shí)，可得甲=〃丸。由上式可知：當(dāng)接收點(diǎn)和波源的距離變化等于一個(gè)波長時(shí)，則接收點(diǎn)和波源的位相差也正好變化一個(gè)周期（即①二2兀）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過改變發(fā)射器與接收器之間的距離，觀察到相位的變化。當(dāng)相位差改變兀時(shí)，相應(yīng)距離'的改變量即為半個(gè)波長。根據(jù)波長和頻率即可求出波速。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用共振干涉法測(cè)聲速首先調(diào)整兩只換能器固定卡環(huán)上的緊固螺絲，使兩只換能器的平面端面與卡尺游標(biāo)滑動(dòng)方向相垂直，保持換能器位置固定。按圖3-14-2接好電路。(注意：所有儀器一定要共地)。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓和頻率(f=35kHz左右)，使換能器在諧振頻率附近工作。調(diào)整時(shí)可通過觀察屏上正弦波幅度的變化，微調(diào)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率，直至屏上的正弦波幅度最大。調(diào)節(jié)示波器，使屏上正弦波幅度適中。移動(dòng)卡尺游標(biāo)，逐漸加大兩只換能器的間距，觀察示波器屏上正弦波形幅度的周期性變化。當(dāng)每出現(xiàn)一次波形幅度最大數(shù)值時(shí)，讀取并記錄卡尺指示數(shù)。為了準(zhǔn)確得到接收聲壓最強(qiáng)的位置，可利用游標(biāo)卡尺上的微動(dòng)螺絲，仔細(xì)調(diào)整接收器位置。測(cè)量數(shù)據(jù)表3-14-1測(cè)量數(shù)據(jù)表f=kHz實(shí)驗(yàn)結(jié)果：V實(shí)m/s。用位相比較法測(cè)聲速蝦=事 * 2k圖3-14-4反向點(diǎn)和同相點(diǎn)的判斷圖形實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-14-3所示。將兩只換能器的正弦電壓信號(hào)分別輸入到示波器的“X軸”和“Y軸”，熒光屏上便顯示出兩個(gè)相同頻率的垂直振動(dòng)的合成圖形。當(dāng)接收器從發(fā)射器附近慢慢移開時(shí)，接收器與發(fā)射器間的位相差隨移動(dòng)的距離變化，熒光屏上的圖形也相應(yīng)地周期性變化（如圖3-14-4）。在移動(dòng)接收器的同時(shí)，注意觀察屏上圖形的變化。每當(dāng)屏上出現(xiàn)斜直線圖形時(shí)，從游標(biāo)卡尺上直接讀出反向點(diǎn)和正相點(diǎn)的位置。⑴由于發(fā)射端信號(hào)比接收端強(qiáng)，而一般示波器Y軸靈敏度比X軸高，因此通常Y軸接接收端信號(hào)，X軸接發(fā)射端信號(hào)。⑵將示波器“掃描范圍”旋鈕扳到“X-Y”位置。適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器，使熒光屏上的李薩如圖形能便于觀察。如果圖形效果不好，可調(diào)節(jié)X軸和Y軸的衰減旋鈕。⑶移動(dòng)接收器，逐漸改變兩只換能器的間距，觀察熒光屏上李薩如圖形的變化。每當(dāng)屏上呈現(xiàn)出正、負(fù)斜率的直線圖形時(shí)，從游標(biāo)卡尺上讀出該位置的數(shù)值并記錄。⑷記下室溫t°C，根據(jù)聲速的理論公式計(jì)算t°C時(shí)聲速的理論值：y二、：七1+