大学物理实验系列——空气中的声速测量讲义.ppt

实实 验验 目目 的的 1、学会用振幅法何位相法测定空气、学会用振幅法何位相法测定空气 中的声速中的声速2、学习数字式函数发生器、示波器、学习数字式函数发生器、示波器 的使用的使用3、了解声速测量的应用和发展、了解声速测量的应用和发展 目 录一、声速的特点一、声速的特点二、声速的实验原理二、声速的实验原理三、声速的测量原理三、声速的测量原理 1.1.振幅法振幅法 2.2.相位法相位法 四、实验仪器四、实验仪器五、实验内容及现象五、实验内容及现象六、有关声波研究的应用和发展六、有关声波研究的应用和发展1.1.声速声速测量仪测量仪2.2.传感器传感器3.3.示波器示波器4.4.信号发生器信号发生器一、声速的特点 频频率率在在2020000Hz的的声声振振动动在在弹弹性性媒媒质质中中所所激激起起的的纵纵波波称称声声波波。声声波波是是一一种种机机械械波波。频频率率超超过过20000Hz的的声声波波称称为为超超声声波波。声声波波的的频频率率、波波长长、速速度、相位等是声波的重要特性。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，因此有取决于空气本身的性质，因此有-绝热系数，绝热系数，R-摩尔气体常数，摩尔气体常数，-空气分子的摩尔质空气分子的摩尔质量，量，T-绝对温度绝对温度下一页 由由此此可可见见，气气体体中中的的声声速速 v 和和温温度度 T 有有关关，还还与与比比热热比比 及及摩摩尔尔质质量量 有有关关，后后两两个个因因素素与与气气体体成成分分有有关关。因因此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。此，根据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。在在标标准准状状态态下下，0 oC时时，声声速速为为 vo331.45ms，显显然在然在 t oC时，干燥空气中声速的理论值应为时，干燥空气中声速的理论值应为 由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是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不同的。返回返回二、实验原理 本本实实验验是是对对超超声声波波波波速速的的测测量量。测测量量声声速速最最简简单单、最最有有效效的的方方法法之之一一是是利利用用声声速速v、振振动动频频率率 f 和和波波长长 之之间的基本关系，即间的基本关系，即 v=f 测出声振动频率测出声振动频率 f 和声波的波长和声波的波长，就可算出声波的就可算出声波的波速波速 v。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。当然这仅仅是一种最简便的近似测量。实验室中常利用，用实验室中常利用，用振幅法振幅法、相位法相位法测定波长测定波长，由由函数发生器或示波器直接读出频率函数发生器或示波器直接读出频率 f。1.振幅法 振幅法也称驻波法。发射器发出的声波近似于平振幅法也称驻波法。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面波。经接收器反射后，波将在两端面间来回反射,并并且叠加。当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍且叠加。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。于波腹。位移声压S1S2三、测量原理返回返回2.相位法波波是是振振动动状状态态的的传传播播，也也可可以以说说是是相相位位的的传传播播。沿沿传传播播方方向向上上的的任任何何两两点点，其其振振动动状状态态相相同同(同同相相:相相位位差差为为0)或或者者说说其其相相位位差差为为2的的整整数数倍倍时时两两点点间间的的距离应等于波长距离应等于波长的整数倍，即的整数倍，即 l=n (n为一正整数为一正整数)利用这个公式可测量波长。利用这个公式可测量波长。相位法又可分为相位法又可分为行波法行波法和和李萨如图形法李萨如图形法。下一页行波法 将将发发射射信信号号和和接接收收信信号号同同时时输输入入到到示示波波器器，此此时时示示波波器器上上同同時時顯顯示示的的發發送送和和接接收收電電信信号号。当当改改变变两两个个换换能能器器之之间间的的距距离离时时，发发送送信信号号不不变变，而而接接收收电电信信号号（正正弦弦波波）的的幅幅值值和和位位置置均均发发生生变变化化，当当接接收收电电信信号号的的位位置置与与发发射射信信号号的的位位置置前前后后两两次次重重合合时时接收器走过的距离，就是信号的波长。接收器走过的距离，就是信号的波长。下一页李萨如图法位相法的另一种测量方法是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输入输入示波器时，荧光屏上当两路信号同时输入输入示波器时，荧光屏上将显示出两个同频率相互垂直的谐振动的叠加将显示出两个同频率相互垂直的谐振动的叠加图形图形李李萨如图萨如图两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长两个同斜率直线所对应的传感器间距为一个波长 。返回返回三、实验仪器 本本实实验验使使用用的的仪仪器器主主要要有有：声声速测量仪、速测量仪、函数发生器和示波器。函数发生器和示波器。声声速速测测量量仪仪由由：超超声声压压电电陶陶瓷瓷换换能能器器、带带有有标标尺尺的的底底座座和和读读数数装装置置构构成成，用用来来作作声声压压与与电电压压之之间间的的转转换换，以及波长的测量。以及波长的测量。函数发生器函数发生器用来产生超声波；用来产生超声波；示示波波器器用用来来观观察察超超声声波波的的振振幅幅、相位和频率。相位和频率。1.声速测量仪读数装置压电陶瓷换能器手轮底座返回返回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。本实验传感器是物理实验中常用的间接测量元件。本实验中使用的传感器是由压电陶瓷片构成的，其中一个是用来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。振动，同时电输出端产生相应的电信号。下一页 传感器内部结构 压电陶瓷片电输入或输出端铝外壳返回返回示波器 返回返回返回返回四、实验内容及现象2、利用共振驻波法测量声速、利用共振驻波法测量声速3、利用行波法测量声速、利用行波法测量声速4、利用李萨如图法测量声速、利用李萨如图法测量声速1、谐振频率的调整、谐振频率的调整4 4、利用李萨如图法测量声速、利用李萨如图法测量声速返回返回保持刚才的接线，水平显示选择保持刚才的接线，水平显示选择X-Y，当改变当改变换能器之间的距离时换能器之间的距离时