声速测量及声波的波动学规律研究

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1、声速测量及声波的波动学规律研究***，物理学系摘要：声波是一种在弹性介质中传播的机械波，声速是描述声波在介质中传播特性的一个基本物理量。在研究和实践中声波起到了重要的作用，比如水下声纳的探测、胎儿的B超检测、声学成像等等，在作为测量工具使用时，对于声波本身的性质了解就显得颇为重要了。笔者通过实际的测量验证并探究了声波的一系列性质，如在空气中的传播速度、作为机械波而有的干涉、衍射现象以及在反射中表现出的波动特性，以及超声波不同于普通声波的一些特性，并研究了超声波在反射中反射率与反射界面材料的关系。关键词：声波；反射；

2、衍射和干涉；声速；反射率ThemeasurementofsoundvelocityandthestudyofsoundwavesYixiongKe,DepartmentofPhysicsAbstarct：Soundwaveisakindofmechanicalwavewhichpropagateinelasticmedia,whilethesoundvelocityisabasicphysicalquantityindescribingthepropagationcharacteristicsofthesoundw

3、aveinmedia.Soundplaysanimportantroleinresearchandpractice,e.g.theunderwatersonarandacousticdetection,theB-modeultrasonic,acousticimagingetc.Asatooltomeasureotherobject,thecharacteristicsofsoundwaveitselfbecamemoreimportantthanever.Theauthormeasuredandstudiedas

4、eriesofqualitiesofsoundwave,suchasitsvelocityviaair,itspropagationqualitypresentedininterference,diffractionandreflection.What’smore,theauthorstudiedthespecialqualitiesofultrasoniccomparedwithordinalsoundandtherelationshipbetweenthereflectivityandthematerialof

5、thereflectingboundaries.Keywords:soundwave;reflection;Diffractionandinterference;thespeedofsound;reflectivity11一、引言声波是一种在弹性介质中传播的机械波，声速是描述声波在介质中传播特性的一个基本物理量。在生活中和研究中声波都起到了重要的作用，比如与他人口头交流、水下声纳的探测、胎儿的B超检测、声学成像等等，尤其在作为测量工具使用时，对于声波本身的性质了解就显得尤为重要了。在过去的实验当中，一般都是以光来演

6、示空间波动性质，一方面是由于其视觉上容易观察到，而不用借助于其他的测量工具；另一方面也是由于历史上微粒说和波动说之争使得对于光的波动性测量能够承载更多的信息，也更有趣。但是对于光的波动性测量并不能完全地代替声波测量，毕竟对于性质的延拓是需要实验证明的。当然，可以以光波类比到声波的思路来展开研究，这也是本实验的出发点之一。二、实验原理1．声波声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量。在气体中，声波是纵波而不是横波，因而不出现偏振现象，这是声波与电磁波现象的一个重大区别，但声波

7、所产生的几种干涉和衍射效应与电磁波干涉和衍射效应完全相似。由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。通常利用锆钛酸铅压电陶瓷换能器来进行超声波的发射和接收。2．声速及其测量本实验采用的共振干涉法和相位比较法都是利用关系式v=νλ，从测量其频率ν和波长λ来算出声速v。Ø共振干涉法发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器。若接收面与发射面严格平行，入射波将在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干形成驻波，反射面处为驻波的波节。改变接收器与发射器之间的距离，在

8、某些距离上形成稳定的驻波共振现象。此时，距离为半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大，此时接收面上的声压波腹相应达到极大值。在移动发射器的过程中，相临两次到达极大值时发射器的移动距离为半波长。因此保持频率不变，移动接收器，并利用公式v=νλ计算声速。Ø相位比较法11将发射器的信号输入到示波器的x轴，同时将接收器收到的信号输入到示波器的y轴。设输入x轴、y轴的入射