大学物理实验系列——空气中的声速测量讲义

3、利用行波法测量声速
当改变换能器之间的距离时……
示波器：
选择A 扫 描模式
同时显示 换能器接 收端和发 射端的两 信号
选择换能 器发射端 的信号作 为触发源
4、利用李萨如图法测量声速
保持刚才的接线，水平显示选择X-Y，当改变
换能器之间的距离时……
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行波法
将发射信号和接收信号同时输入到示波器，此
时示波器上同時顯示的發送和接收電信号。当改变
两个换能器之间的距离时，发送信号不变，而接收
电信号（正弦波）的幅值和位置均发生变化，当接
x1
收电信号的位置与发射信号的位置前后两次重合时
x2
接收器走过的距离，就是信号的波长。
l x2 x1
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实验室中常利用，用振幅法、相位法测定波长λ ，由
函数发生器或示波器直接读出频率 f。
三、测量原理
1. 振幅法
振幅法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平 面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射,并 且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍 时发生共振，产生共振驻波现象，波幅达到极大。由纵 波的性质可以证明，振动位移处于波节时，则声压是处 于波腹。
量，T-绝对温度
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由此可见，气体中的声速 v 和温度 T 有关，还与比热 比 γ 及摩尔质量 μ 有关，后两个因素与气体成分有关。因 此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。
在标准状态下，0 oC时，声速为 vo＝331.45m／s，显 然在 t oC时，干燥空气中声速的理论值应为
273.15 t vt 331.45 273.15
李萨如图法
位相法的另一种测量方法是李萨如图法 当两路信号同时Baidu Nhomakorabea入输入示波器时，荧光屏上 将显示出两个同频率相互垂直的谐振动的叠加 图形—李萨如图
2 1 0
4
3 24
5 3 42
7 2 4
两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长 。
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三、实验仪器
本实验使用的仪器主要有：声 速测量仪、 函数发生器和示波器。
由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是 不同的 。
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二、实验原理
本实验是对超声波波速的测量。测量声速最简单、 最有效的方法之一是利用声速v 、振动频率 f 和波长 λ 之 间的基本关系，即
v=f λ
测出声振动频率 f 和声波的波长 λ，就可算出声波
的波速 v。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。
1、谐振频率的调整
改变信号发生器的频率时……
信号发生器:
20Vp-p
初始频率设置
39 kHz
示波器： A 扫描模式
显示换能器接 收端的信号
选择换能器接 收端的信号作 为触发源
2、利用振幅法测量声速
改变换能器之间的距离时……
示波器：
选择A 扫 描模式
显示换能 器接收端 的信号
选择换能 器接收端 的信号作 为触发源
一、声速的特点
频率在20～20000Hz的声振动在弹性媒质中所 激起的纵波称声波。声波是一种机械波。频率超过 20000Hz的声波称为超声波。声波的频率、波长、速 度、相位等是声波的重要特性。
声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只 取决于空气本身的性质，因此有
RT
v
γ-绝热系数，R-摩尔气体常数，μ-空气分子的摩尔质
位移
声压
S2
S1
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2. 相位法
波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。 沿传播方向上的任何两点，其振动状态相同(同相: 相 位差为0)或者说其相位差为2π的整数倍时两点间的距 离应等于波长λ的整数倍，即
l = n λ (n为一正整数)
利用这个公式可测量波长。 相位法又可分为行波法和李萨如图形法。
声速测量仪由：超声压电陶瓷 换能器、带有标尺的底座和读数装置 构成，用来作声压与电压之间的转换， 以及波长的测量。
函数发生器用来产生超声波； 示波器用来观察超声波的振幅、 相位和频率。
读数装置
1.声速测量仪
压电陶瓷 换能器
手轮
底座
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传感器及它的内部结构
传感器是物理实验中常用的间接测量元件。本实验
声速的测量
物理实验中心
实验目的
1、学会用振幅法何位相法测定空气 中的声速
2、学习数字式函数发生器、示波器 的使用
3、了解声速测量的应用和发展
目录
一、声速的特点 二、声速的实验原理 三、声速的测量原理
1. 振幅法 2. 相位法
四、实验仪器
1.声速测量仪 2.传感器 3.示波器 4.信号发生器
五、实验内容及现象 六、有关声波研究的应用和发展
中使用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来
产生机械振动并在空气中激发出超声波。另一个用来接收
振动，同时电输出端产生相应的电信号。
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电输入或 输出端
传感器内部结构
压电陶瓷片
铝外壳
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示波器
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四、实验内容及现象
1、谐振频率的调整 2、利用共振驻波法测量声速 3、利用行波法测量声速 4、利用李萨如图法测量声速