食鹽水濃度變化對聲速的影響

食鹽水濃度變化對聲速的影響實驗者：黃曉斌同組實驗者：梁華委指導老師：夏雪琴

班級：C09儲運（2）班 學號：091317214學號091317215摘要：液體分子的運動是在各自的平衡位置附近振動，但由于液體的流動性，平衡位置可以移動，而不是固定不變的。由于分子間結(jié)合得也很緊密，振動比較容易從一個分子傳遞給另一個分子，這就使聲音在液體中的速度較大，傳播得較快。因此，水中含鹽量的多少對聲速也有影響。關(guān)鍵詞：濃度聲速時差法1引言聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的縱波。相信大家一定了解聲波在不同的介質(zhì)中傳播的速度是不同的，即V固＞v液＞v氣。有大量實驗表明，在同一種介質(zhì)中溫度的變化也會對聲速產(chǎn)生影響。在空氣中溫度每上升一攝氏度聲速就加快0.61m/s，而在液體中更明顯溫度每上升一攝氏度聲速加快了4.6m/s。因此，我們?nèi)菀滋岢鲞@樣的疑問，到底液體濃度變化是否會對聲速產(chǎn)生影響呢？如果會，究竟又是怎樣影響的呢？借助SV5型聲速測量組合儀和GOS-6021型雙蹤示波器，運用較精確的時差法自己來解決這兩個問題。實驗原理時差法是較精確測量聲速的方法。它是將脈沖波調(diào)制信號加到發(fā)射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過t時間后，到達距離L處的接收換能器，由聲速測試信號源時間顯示窗口直接讀出兩種換能器脈沖波形的延遲時間t,就可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中的傳播速度：V=L/t實驗方法及結(jié)果3.1實驗方法（1） 食鹽水的制備利用天平、燒杯、玻璃棒等儀器，再根據(jù)公式濃度=溶質(zhì)質(zhì)量/溶液質(zhì)量來制備3.5%、6.5%、11%濃度的食鹽水。（2） 聲速測量（時差法）a、按圖3-1連接好電路，其中信號源的“發(fā)射換能器”接口S1連接到聲速測量儀接線盒“液體”的“發(fā)射”輸入端；信號源的“發(fā)射波形”接口接“CHl（Yl）”輸入端，以便觀察發(fā)射波形；作正式測量時，接線盒的“液體（空氣）”的“接收”輸出端接到雙蹤示波器的“CH2（Y2）”輸入端。圖3-lb、雙蹤示波器的“ATO/NML”自動/一般觸發(fā)模式選擇按鍵設(shè)置在“ATO”自動工作方式，“SOURCE”觸發(fā)信號源選擇按鍵設(shè)置在“VERT”工作方式，“COUPLING”觸發(fā)耦合選擇按鍵設(shè)置在“AC”交流耦合狀態(tài)，“SLOP”觸發(fā)極性（斜率）選擇按鍵設(shè)置在“f”上升沿觸發(fā)方式。c、 接通電源后，信號源自動工作在“連續(xù)波”方式；信號源的“聲速傳播介質(zhì)”鍵設(shè)置在“空氣”位置。d、 觀察發(fā)射波形時，信號源的“發(fā)射波形”接口接在“CHl（Yl）”輸入端，按下示波器的CH1開關(guān)并關(guān)閉CH2開關(guān)，調(diào)節(jié)“TIME/DIV”掃描時間偏轉(zhuǎn)因數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕至適當位置，即可觀察到發(fā)射波形的正弦波形；調(diào)節(jié)信號源的“發(fā)射強度”旋鈕，使輸出電壓為10~15v。e、 諧振頻率調(diào)整：把接線盒的“液體（空氣）”的“接收”輸端接到“CH2（Y2）”輸入端，為了得到比較清晰的接收波形，應(yīng)將外加的驅(qū)動信號頻率調(diào)節(jié)到發(fā)射換能器S1諧振頻率點處。調(diào)整方法是將兩聲能轉(zhuǎn)換探頭靠近，按下示波器的CH2開關(guān)關(guān)閉示波器的CH1開關(guān)，微調(diào)信號源的輸出頻率，當示波器顯示接收正弦波形幅度達到最大時，記下此時信號源顯示的頻率（約在37kHz左右），即為諧振頻率f。注意：如果信號發(fā)生器顯示的頻率不太穩(wěn)定，要預熱一段時間后再進行處理。f、按圖3-2連接電路，雙蹤示波器的“ATO/NML”設(shè)置在“ATO”，“SOURCE”設(shè)置在“VERT”工作方式，“COUPLING”設(shè)置在“AC”交流耦合狀態(tài)，“SLOPE”設(shè)置在“f”上升沿觸發(fā)方式。信號源的“聲速測試方式”設(shè)置到“脈沖波”方式。圖3-2h、 預先在測試槽中注入鹽水，分三次實驗，分別加入濃度為3.5%、6.5%、11%的食鹽水，直到把換能器完全浸沒，但不能超過液面線，然后在信號源面板上的“聲速傳播介質(zhì)”鍵切換至“液體”位置。測試前將S1和S2之間的距離調(diào)整到一定距離（＞=80mm），再調(diào)節(jié)信號源的“接收放大”旋鈕（只在脈沖波方式下有作用）使顯示器上的接收波信號幅度（峰-峰值）在350~400mv左右，使定時器工作在最佳狀態(tài)。然后記錄此時的距離值Li-1和顯示時間值ti-1（時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出）。移動S2,同時調(diào)節(jié)“接收放大”旋鈕使接收信號幅度始終保持一致。記錄下這時的距離值Li和時間值ti,則聲速為V=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）ii-1ii-1注意：（1）數(shù)顯尺的單位要轉(zhuǎn)換到mm檔（2）S2向外移動時要避免回程差i、 記下水溫t

3.2數(shù)據(jù)記錄1．基本數(shù)據(jù)食鹽水溫度：t=21.9±0.5°C諧振頻率：f=36.9813kHz2．實驗數(shù)據(jù)（如下表3-1）表3-1濃度3.5%6.5%11%測量次數(shù)121211Li(mm)85.2698.8486.84100.5691.20103.56ti(us)849384918694△L(mm)13.5813.7212.36△t(us)998△△L(mm)0.0150.0150.015△△t(us)0.50.50.5V二—(m/s)At1508.891524.451545.00V=V±&(m/s)1508.89±83.841524.45±84.711545.00±96.58AVEv二 x100%V5.6%5.6%6.3%3.3數(shù)據(jù)處理（1）聲速計算A&={△、2=0.015mm 同理.A=0.5卩sAL=1508.89AtV=AL=1545.0011% At3.5%V=AL=1524.456.5% At(A 1AL3.5%2+(A1A13.5%2VAL丿VAt丿『A1VAL丿2+(A1A16.5%VAt丿22AL11%At11%VAt丿2AV3.5%AV6.5%xV=83.843.5%xV=84.716.5%AV丿XV=96.5811%V=V土AV3.5%3.5% 3.5%V=V土AV6.5%6.5% 6.5%V=V土AV二11%11%11%11%2）相對偏差計算=1508.89土83.84mZ=1524.45土84.711545.00土96.58AV3.5%V3.5%E=V6.5%3.5%AV6.5%x100%=5.6%x100%=5.6%E=V11%6.5%AV11%x100%=6.3%3.4實驗結(jié)果由實驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果得出在219C的水溫中食鹽水中的聲速大致在1450?1550m/s之間，這與我們熟知的海水中聲速1500m/s相吻合，并且不同的食鹽水濃度確實對聲速有一定影響，我們可通過EXCEL表格繪得如下圖3-2圖3-2速的方法，但是在最終結(jié)果中還是存在一定的偏差。4結(jié)束語本實驗的原理是通過運用SV5型聲速測量組合儀和GOS-6021型雙蹤示波器結(jié)合時差法來進行測量聲速。但是在實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)它的精確度并沒有測空氣中聲速時那么高。經(jīng)過大量考證了解到，這跟食鹽水濃度的配置時食鹽是否溶解充分，配置的精度高低有關(guān)。此外，由于液體具有波動性外界振動和聲音傳播也帶來一定的誤差。因此在今后實驗時我們可以做如下改進：（1）配置食鹽水時用玻棒充分攪拌直至食鹽完全溶解，并提高食鹽水濃度的精度；（2）實驗時要在絕對安靜的環(huán)境下進行，實驗儀器輕拿輕放；（3）示波器需要預熱一段時間才能開始工作，以免由于不穩(wěn)定性帶來誤差。在生活中我們會發(fā)現(xiàn)很多奇妙的問題，有心的我們可以通過現(xiàn)有的儀器和方法自己探究問題解決問題。對于尚未被發(fā)現(xiàn)的問題，我們可以開動腦筋，大膽創(chuàng)新，勇于實踐，積極地通過自己的力量解決問題，說不定我們就會成為未來