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实验报告:声速的测量
实验报告  声速的测量 
【实验项目】 


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【实验仪器】
声速测量仪、FD-SV-D超声波测距综合试验仪、示波器
【实验原理】
由于超声波具有波长短,易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短,可以在短距离较精确的测出声速。超声波的发射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。本实验采用的是压电陶瓷制成的换能器(探头),这种压电陶瓷可以在机械振动与交流电压之间双向换能。
声波的传播速度与其频率和波长的关系为:
(1)
由(1)式可知,测得声波的频率和波长,就可以得到声速。同样,传播速度亦可用
=(2)
表示,若测得声波传播所经过的距离L和传播时间t,也可获得声速。
1. 共振干涉法
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以近似的平面声波;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的表面近似平行时,声波就在两个平面间来回反射,当两个平面间距L为半波长的整倍数,即
L=nλ/2 n=0,1,2,……(3)
时,S1发出的声波与其反射声波的相位在S1处差(n=1,2 ……),因此形成共振。
因为接收器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信号幅值也是极大值(参见图2)。
图中各极大之间的距离均为λ/2 ,由于散射和其他损耗,各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。我们只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(1)求得声速。
FD-SV-D
2. 相位比较法  
波是振动状态的传播,也可以说是位相的传播。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,可以精确的测量波长。实验装置如图1所示,沿波的传播方向移动接收器S2,接收到的信号再次与发射器的位相相同时,一国的距离等于与声波的波长。 
同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号,它们的频率严格一致,所以李萨如图是椭圆,椭圆的倾斜与两信号的位相差有关,当两信号之间的位相差为0或π时,椭圆变成倾斜的直线。 
位相差和角频率、传播时间t之间有如下关系: 
同时有,,,(式中T为周期) 
代入上式得: 
当(n=1,2,3,...)时,可得。 
由上式可知:当接收点和波源的距离变化等于一个波长时,则接收点和波源的位相差也正好变化一个周期(即Ф=2π)。 
实验时,通过改变发射器与接收器之间的距离,观察到相位的变化。当相位差改变π时,相应距离的改变量即为半个波长。根据波长和频率即可求出波速。
  
3. 时差法  
用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。由信号源提供一个脉冲信号。经t时间到达L处的接收器,根据关系v=L/t,即可计算出声速