聲速測量綜合實驗第1頁/共16頁實驗簡介實驗原理實驗?zāi)康膶嶒瀮?nèi)容儀器及調(diào)整實驗數(shù)據(jù)預(yù)習(xí)題思考題第2頁/共16頁【實驗簡介】聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機械波，由于其振動方向與傳播方向一致，故聲波是縱波。振動頻率在20Hz～20KHz的聲波可以被人們聽到，稱為可聞聲波；頻率超過20KHz的聲波稱為超聲波。聲速是描述聲波在媒質(zhì)中傳播特性的一個基本物理量。由于超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射及抗干擾等優(yōu)點，所以在超聲波段進行聲速測量。

第3頁/共16頁【實驗?zāi)康摹?/p>

1.用共振干涉法和相位比較法測量聲音在空氣中傳播的聲速；2.研究聲波雙縫干涉，單縫衍射及聲波的反射現(xiàn)象；3.對波動學(xué)的物理規(guī)律和基本概念有更深的理解。

第4頁/共16頁【實驗原理】聲波在現(xiàn)代科技中泛指機械振動的傳播。它的傳播速度與介質(zhì)和溫度等因素有關(guān)，而與振源頻率無關(guān)。在彈性介質(zhì)中，由機械振動所激起的波稱為聲波。人耳能聽到的聲波的頻率在20Hz～20000Hz之間。頻率超過20000Hz稱為超聲波，低于20Hz稱為次聲波。1、共振干涉法設(shè)有一從發(fā)射源發(fā)出的一定頻率的平面聲波，經(jīng)過空氣傳播，到達接收器，如果接收面與發(fā)射面嚴格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與反射波相干涉形成駐波，反射面處為位移的波節(jié)。改變接收器與發(fā)射源之間的距離，在一系列特定的距離上，媒質(zhì)中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。第5頁/共16頁此時，等于半波長的整數(shù)倍，駐波的幅度達到極大；同時，在接收面上的聲壓波腹也相應(yīng)地達到極大值。在移動接收器的過程中，相鄰兩次達到共振所對應(yīng)的接收面之間的距離即為半波長。因此，若保持頻率υ不變，通過測量相鄰兩次接收信號達到極大值時接收面之間的距離λ/2，就可以用V=υλ計算聲速。第6頁/共16頁

2、相位比較法發(fā)射波通過傳聲媒質(zhì)到達接收器，所以在同一時刻，發(fā)射處的波與接收處的波的相位不同，其相位差Ψ可利用示波器的李薩如圖形來觀察。Ψ和角頻率ω、傳播時間t

之間有如下關(guān)系：Ψ=ωt,同時有ω=2π/T，t=L/V,λ=TV,可得Ψ=2πL/

λ。而當(dāng)相位差改變π時，相應(yīng)的距離L的改變量即為半個波長。由波長和頻率值可求出聲速。相位差為θ=2πΔx/λ第7頁/共16頁

圖1

用李薩如圖形觀測相位的變化第8頁/共16頁3、聲波的干涉、衍射和反射。

利用雙縫干涉實驗。對于不同的角，如果從雙縫到接收器的波程差是零或波長的整數(shù)倍，就會產(chǎn)生相長干涉，因而觀察到干涉強度的極大值；當(dāng)波程差是半波長的奇數(shù)倍時，干涉強度有極小值。因此，干涉強度出現(xiàn)極大值與極小值的條件如下：

極大值：dsinα=nλ(4)

極小值：dsinα=(n+1/2)λ

(5)

式中，n為零或整數(shù)，d為二個縫中心位置的距離，為聲音的波長。

4、理論公式:

式中v0=331.45m/s，為T0=273.15K時的聲速，T=t+273.15K

第9頁/共16頁【實驗儀器】

儀器主要由三部分組成：聲速測定裝置、正弦信號發(fā)生器和示波器。第10頁/共16頁【實驗內(nèi)容】

1、調(diào)整測試系統(tǒng)的諧振頻率按圖將實驗裝置接好。正弦波的頻率取40KHz，調(diào)節(jié)接收換能器盡可能近距離，且使示波器上的電源信號為最大。然后，將兩個換能器分開稍大些距離（約6-7cm），使接收換能器輸入示波器上的電壓信號為最大（近似波節(jié)位置）。再調(diào)節(jié)頻率，使該信號確實為該位置極大值。最后，細調(diào)頻率，使接收器輸出信號與信號發(fā)生器信號同相位。此時信號源輸出頻率才最終等于二個換能器的固有頻率。在該頻率上，換能器輸出較強的超聲波。2、在諧振頻率處用共振法和相位法測聲速。當(dāng)測得一聲速極大值后，連續(xù)地同一方向移動接收端的位置，測量相繼出現(xiàn)20個極大值所相應(yīng)的各接收面位置，再求波長值。第11頁/共16頁在用相位比較法時，將接收器與示波器的Y軸相連，發(fā)射器與示波器X軸相連，即可利用李薩如圖形來觀察發(fā)射波與接收波的相位差，適當(dāng)調(diào)節(jié)Y軸和X軸靈敏度，就能獲得比較滿意的李薩如圖形。對于兩個同頻率互相垂直的簡諧振動的合成，隨著兩者之間相位差從0--π變化，其李薩如圖形由斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再由橢圓變到斜率為負的直線。記錄游標卡尺上讀數(shù)時，應(yīng)選擇李薩如圖形為直線時所對應(yīng)的位置。每移動半個波長，就會重復(fù)出現(xiàn)斜率正負交替的直線圖形。3、將上述兩種方法的測量結(jié)果比較，計算與理論值的相對偏差。第12頁/共16頁【實驗數(shù)據(jù)】

1.共振干涉測量聲速f=Hz求平均聲速，并與理論聲速作百分誤差比較第13頁/共16頁標尺讀數(shù)/mm隔項相減Li+10-Li/mm12345678910L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10/11121314151617181920L11L12L13L14L15L16L17L18L19L20L11-L1=L12-L2=L13-L3=L14-L4=L15-L5=L16-L6=L17-L7=L18-L8=L19-L9=L20-L10=表1共振法測聲速數(shù)據(jù)處理f=第14頁/共16頁2相位法測量聲速f=Hz求平均聲速，并與理論聲速作百分誤差比較表2相位法測聲速數(shù)據(jù)處理f=標尺讀數(shù)/