声速测量实验的再讨论

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1、声速测量实验的再讨论——5130309373俱伟本学期内我一共进行了七项大学物理基本实验，其中对于声速测量实验在课后进行了深入的思考与讨论，经过多方查阅资料以及向别人咨询，我对这个实验有了更深入的了解与认识。首先，我们要选择实验对象——声波。声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，由于其振动方向与传播方向一致，故声波是纵波，它的振动频率在20Hz～20KHz的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超过20KHz的声波称为超声波。在大学做这项实验以前，我已经很多次的在高中物理实验中碰到这个问题，当时比较流行的方法是：利用

2、声波的反射，让一个人站在距离墙壁一定距离的地方，然后发出声音，声波由于撞到墙壁因此会发生发射，反射以后的声波被声源接收到，此时记录下从发声到接收到反射波的时间间隔，再测量出人与墙壁的距离，利用公式v=s/t,即可经过粗略计算得出声速的大小。但是该方法存在明显的较大误差，因此在某些对数据要求高的地方显然不能适用。存在的问题是：实验的参与者与数据的记录者均是人，不同的人的反应时间，听觉等都存在差异，如果换做另一个人，很有可能会得出较大误差的结果，科学的实验方法应该尽可能避免由于人为因素而导致的误差。再者，可闻声波在空气

3、中传播时波长较长，难以在短距离内测得精确的波长，而距离一旦变长，有可能发生传播距离过长导致能量过低，探测器无法接收到等问题。综合考虑以上因素，借用对可闻声波进行测量来得出声速并不能得到理想的精确的结果。另一方面，超声波具有波长短故可可在短距离内较精确地测量声速，易于定向发射，易被反射等优点，因此在大学物理实验中我们采用了超声波作为实验对象。下面来看如何产生超声波。超声波的发生和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的。本实验中采用的是压电陶瓷制成的换能器（探头

4、），这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。压电陶瓷换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上产生一定的磁场强度E，它们之间有一简单的线性关系E=gF；反之，当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料时，材料的伸缩形变S与电压U也有线性关系S=dU。比例常数g、d称为压电常数，与材料性质有关。由于E、S、F、U之间具有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的来

5、源；同样也可以使声压变化转变为电压的变化来接收声信号。方法一：实验装置如图1所示，图中S1和S2为压电晶体换能器，S1作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出一近似的平面声波；S2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当S1和S2的表面互相平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面的间距L为半波长的整数倍时，即L=nλ/2,n=0,1,2,…时，S1发出的声波与其反射声波的相位在S1处相差2n∏(n=1,2,……),因此形成共振。因为接收器

6、S2的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值。我们只需要测出各极大值对应的接收器S2的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式v=λf求得声速。分析该方法测声速中的一些需要注意的问题。首先，为了准确测量，间接地利用了在谐振频率下，产生声波的波幅最大，信号最强，此外谐振频率较稳定，抗干扰，更便于观察。如何找到谐振频率呢？注意到在调节信号频率时，接收波的电压幅度对应在变化

7、，在某一频率处电压幅度最大，此频率即为换能器的谐振频率。原因简单归结于波的知识中关于共振的部分。当物体发生共振时，振幅最大，对应的换能器所能产生的最大电压也就最大。第二，实验前应当调节实验器材，保证换能器的表面互相平行。若不满足此条件，会发生经过换能器的反射后的波与反射之前的波不在同一水平线的情况，继而无法发生共振，也就不能观察到电压有稳定的最大值。在调节两个换能器之间的距离时，只有当满足d=nλ/2,(n=1,2,…)时，才能使声波在两换能器之间发生共振，只有在声波发生共振时，才能在测量仪器上读出稳定的电压的极大

8、值，进一步得出极大值之间的距离。方法二：相位比较法。波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍。利用这个原理，可以精确地测量波长。实验装置依旧利用图一所示装置，沿波的传播方向移动接收器S2总可以再找到一点，使接收到的信号与发射器的位相相同；继续移动接收器S2，接收到的信号再次与发射器的位相相同时，