声速报告

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1、声速的测定声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，它是一种振动方向与传播方向一致的纵波。对声波频率、波速等特性的测量是声学应用技术的一个重要内容，通过对声速（声波在介质中的传播速度）的测量可以获取传播介质的特性及相关的状态信息，它在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要意义。本次实验利用共振干涉法和相位比较法来测量超声波在空气中的传播速度。测量声速的方法可以分为两大类：一类是通过测量声波传播距离S所需的时间t来计算声速uS/t；另一类是通过测量声波的频率f和波长λ来计算声速：uf（1）实际测量时可以用

2、特定频率的正弦信号来控制发声换能器，正弦信号的频率即是声波的频率，可以用数字频率计进行精确测量。对声波波长的测量，可以采用共振干涉法（驻波法）和相位比较法（行波法）来测量。1.共振干涉法（驻波法）根据波动理论，两列频率相同的平面声波在空气中相向传播时，相遇时会相互干涉形成驻波。图1如图1，本次实验用压电晶体超声换能器（受函数发生器输出的正弦信号控制）作平面超声波的辐射源，用另一个压电晶体换能器作超声波的接收器（输出信号用示波器进行观测）。由声波传播理论可知，当两只换能器的端面相互平行且二者之间的

3、距离L恰好等于声波半波长的整数倍，即Ln/2时，声波将在两端面之间形成驻波。由于声波形成的驻波是纵驻波，波腹处声压最大、波节处声压最小，因此当接收换能器的端面位于波腹时，接收换能器的输出电压最大；当接收换能器的端面位于波节时，接收换能器的输出电压最小。利用此特性，实验时可通过接收换能器输出电压的变化来判断接收器端面位于驻波的波节还是波腹。滑动游标卡尺的游标，改变两只换能器端面之间的距离L，同时用示波器观测接收换能器输出电压幅度的变化。依次记录接收换能器输出电压幅值出现极大值时游标卡尺的读数，相邻

4、两个读数之差就是声波的半波长，即L1L2/2。2.位相比较法（行波法）受传播速度的限制，声波源点的振动和接收点的振动总存在一定相位差（与二者之间距离和声速有关），利用李萨如图形比较接收换能器输出信号与发声换能器激励信号之间的相位关系即可得到声源振动和接收点振动之间的相位差。图2绘出了几个典型的李萨如图形，并标明了与之相应的两正弦信号之间的相位差。0/23/22图2当接收换能器输出信号与发声换能器激励信号之间的相位差变化一个周期，即2时，接收换能器到发声换能器之间的距离变化L正好等于声波的一个波长

5、λ。3.影响声速传播的因素将空气视作理想气体时，声波在空气中的传播速度：RTu（2）-1-1-1式中，R为普适气体常数（=8.314J·mol·K）），为气体摩尔质量（=0.029kg·mol），T为绝对温度，为空气定压比热容Cp与定容比热容CV的比值（对于双原子分子的理想气体，=7/5=1.400）。空气的温度为0℃（273.15K）时，声波的传播速度为：RT0u0331.1m/s（3）空气的温度为Tx时，声波的传播速度为：tpwc331.45(1)(10.3192)（4）T0p只要测出实验时

6、的室温Tx（用绝对温标K），即可利用（4）式计算声速ux。以此速度作为声速的理论值，便可计算测量值的百分偏差。【实验仪器】1.压电陶瓷压电陶瓷是由多晶压电材料（如钛酸钡）经加热极化而成的，它具有压电效应：受到与极化方向一致的应力时，在极化方向上将产生一个与应力成正比的电压；在极化方向上加以电压时，在极化方向上将产生一个与外加电压成正比的伸缩形变。2.超声换能器超声换能器是利用压电陶瓷的压电特性制成的。此次实验用到的超声换能器如图3，它的头部是轻金属铝制成的喇叭形圆柱（端面为平面，便于辐射和接收平

7、面超声波），尾部是重金属制成的平头圆锥，中间是压电陶瓷圆环，三部分用高强度粘合剂连为整体。在压电陶瓷的两侧加上超声波控制信号时，头部将产生纵向机械振动，由端面辐射出平面超声波；当超声波入射到换能器端面时，受到声压的作用，压电陶瓷两侧将产生同频率的交流信号。图3由于端面的振动存在一定的固有频率，只有当控制信号的频率等于端面的固有频率时，换能器辐射的超声波最强。3.SBZ-A型超声波声速测定仪如图1，SBZ-A型超声波声速测定仪主要由支架、游标卡尺和两只超声换能器组成。两只超声换能器分别安装在游标卡

8、尺的主尺和游标上，二者之间的距离可以通过滑动游标来改变。4.ST16B型示波器ST16B型示波器是通用单踪示波器，其面板如图4所示。ST16B型示波器的结构、工作原理和调节方法与双踪示波器相似，请参阅已学过的《示波器实验》。5.SC2000-II功率函数发生器SC2000-II功率函数发生器的面板如图5所示，它可以输出频率、幅值、相位可调的多种信号。实验用它作信号源来激励超声换能器，使后者辐射出超声波。图4SC2000-II功率函数发生器的设置与连接：⑴信号发生器有三种输出方式，正面插孔可输出小