聲速測(cè)定講稿

聲速測(cè)定聲速測(cè)量的常用方法有兩類：第一類是測(cè)量聲波傳播距離l和時(shí)間間隔t,然后根據(jù)公式V=l/1計(jì)算聲速v（時(shí)差法）；第二類是測(cè)出頻率f和波長(zhǎng)九，再計(jì)算聲速V。本實(shí)驗(yàn)采用第二類測(cè)量方法?！緦?shí)驗(yàn)原理】由于超聲波具有波長(zhǎng)短、易于定向發(fā)射和不可聞等優(yōu)點(diǎn),所以在超聲波段測(cè)量聲速是比較方便的。超聲波的發(fā)射和接收一般是通過(guò)電磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)的,主要是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)換能器的壓電晶體的固有頻率與外界信號(hào)頻率一致時(shí)就會(huì)產(chǎn)生諧振,此時(shí)壓電陶瓷換能器能夠較好地進(jìn)行聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換,可以獲得最大的聲波壓強(qiáng)。所以實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率（34.0?36.0kHz）,使其與換能器諧振（示波器上信號(hào)幅度最大）此時(shí)的頻率即為壓電陶瓷的諧振頻率。駐波法（共振干涉法）實(shí)驗(yàn)原理如圖所示。S］、S2為壓電陶瓷換能器。S］裝在固定端，接受器S2可以移動(dòng)。帶有功率輸出的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻率段的正弦交變電壓信號(hào)接在S］上，使S］產(chǎn)生受迫振動(dòng)，向周圍空間定向發(fā)出一近似的平面波。s2為接收換能器，它接收到聲波后產(chǎn)生與聲源同頻率的電振動(dòng)。當(dāng)S］和S2的表面互相平行時(shí)，聲波就在兩個(gè)平面間往返，形成駐波。當(dāng)兩個(gè)換能器之間的距離l為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象，聲壓波幅最大。在接收器的反射面處是振幅的“波節(jié)”位置，同時(shí)是聲壓的“波腹”位置，即該處位移為零，聲壓最大。連續(xù)改變l值，聲壓波幅將在最大與最小之間周期性的變化。接收器S2上的電壓與該處聲壓成正比，測(cè)量接收器電壓隨兩個(gè)換能器距離的變化情況，相鄰兩次電壓最大對(duì)應(yīng)的距離變化就是半波長(zhǎng)，由此可以得到波長(zhǎng)九。再根據(jù)公式v=處可直接算出v，其中聲波的頻率f即驅(qū)動(dòng)電壓的頻率，可從信號(hào)發(fā)生器面板上直接讀出。行波法（相位比較法）S］與S2處的聲波有一定的相位差，當(dāng)兩者距離為l時(shí)，相位差為申二2兀l九，因此可以通過(guò)測(cè)量?來(lái)求得聲速v=2兀Ifg。連續(xù)改變距離l的值，測(cè)出相位差的2兀變化，對(duì)應(yīng)的距離變化就是一個(gè)波長(zhǎng)。Ss? “p二0 Zkp=^/2 0二兀 Zkp=3刃2 Zkp=2兀【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】駐波法1）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率，達(dá)到與換能器諧振。2） 移動(dòng)S2，測(cè)出各振幅極大值點(diǎn)S2對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)l，記錄在自制的數(shù)據(jù)表格中。要求至少記錄12組數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率f，以便采用逐差法處理數(shù)據(jù)。3） 測(cè)試過(guò)程中應(yīng)注意保持S2與S］表面的平行。相位比較法1） 微調(diào)S2方位，使其稍微傾斜于S］（即S2不平行S］）,得李薩如圖形。2） 改變S2的位置，從找到第一個(gè)斜線形李薩如圖形開(kāi)始測(cè)量，記錄S2的位置坐標(biāo)。并注意：S2的第一個(gè)位置與S］之間的距離應(yīng)不小于4?5cm。連續(xù)移動(dòng)S2,每次得到相同的斜線形李薩如圖形時(shí)，測(cè)量對(duì)應(yīng)的S2的位置坐標(biāo)，至少測(cè)量12組，記錄在自制的記錄表格中。同時(shí)記錄所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率f?！緦?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及常見(jiàn)故障的排除】發(fā)射器和接收器不能接觸。2.數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)束時(shí)，應(yīng)立刻讀出溫度的示數(shù)。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析】應(yīng)用逐差法分別對(duì)兩種方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得聲速v。大氣中聲速與溫度、濕度及大氣壓強(qiáng)有密切關(guān)系。在t=O°C的干空氣中，聲速為v0=33l?45m/s。根據(jù)聲學(xué)理論，一般條件下的校準(zhǔn)聲速為vf=v ,式中0 0\'273.15|v—T=273.15+1為室溫，單位為K。比較v與v,計(jì)算相對(duì)誤差E= x100%。v計(jì)算聲速v的相對(duì)誤差，并分析誤差產(chǎn)生的原因?！緦?shí)驗(yàn)拓展】1.測(cè)水中或海水中的聲速v=1500ms左右，需作何調(diào)整?聲速與海水溫度、鹽度和靜壓力的關(guān)系為v =1449.2+4.6T—0.055T2+0.00029T3+（1.34—0.01T）（S—35）+1.58x10-6Pa海水T――溫度（C）,S――鹽度（%。）,Pa――海水靜壓力（%2）2.其它液體和氣體中的聲速的測(cè)量。 3.駐波法與行波法進(jìn)行比較，哪個(gè)精度高？ 4.壓電陶瓷換能器的其它應(yīng)用？ 5.距離增加時(shí)，聲壓衰減的原因？6.聲壓幅度的衰減是否影響波長(zhǎng)的測(cè)定？7.影響聲速的因素？【思考題】本實(shí)驗(yàn)要求信號(hào)源與換能器固有頻率一致，在諧振情況下進(jìn)行測(cè)量，為什么？行波法中，