大物實(shí)驗(yàn) 聲速測量講義

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1、聲速測量及聲波的雙縫干涉與單絲衍射　　聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波，聲速是描述聲波在媒質(zhì)中傳播特性的一個(gè)基本物理量。在空氣中，一些波動(dòng)現(xiàn)象，不僅可以用可見光與微波演示，也可以用聲波演示。在氣體中，聲波是縱波而不是橫波，因而不出現(xiàn)偏振現(xiàn)象，這是與電磁波現(xiàn)象的一個(gè)重大區(qū)別，但聲音所產(chǎn)生的幾種干涉和衍射效應(yīng)與電磁波干涉和衍射效應(yīng)完全相似。　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(diǎn)，所以在超聲波段進(jìn)行聲速測量是比較方便的。本實(shí)驗(yàn)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；并研究聲波雙縫干涉，單縫衍射及聲波的反射現(xiàn)象，將測量結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行比較，從而對波動(dòng)學(xué)的物理規(guī)

2、律和基本概念有更深的理解。【實(shí)驗(yàn)原理】　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(dá)接收器，如果接收面與發(fā)射面嚴(yán)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。此時(shí)，等于半波長的整數(shù)倍，駐波的幅度達(dá)到極大；同時(shí)，在接收面上的聲壓波腹也相應(yīng)地達(dá)到極大值。不難看出，在移動(dòng)接收器的過程中，相鄰兩次達(dá)到共振所對應(yīng)的接收面之間的距離即為半波長。因此，若保持頻率不變，通過測量相鄰兩次接收信號達(dá)到極大值時(shí)接收面之間的距離()，就可以用計(jì)算聲速

3、。2．相位比較法　發(fā)射波通過傳聲媒質(zhì)到達(dá)接收器，所以在同一時(shí)刻，發(fā)射處的波與接收處的波的相位不同，其相位差可利用示波器的李薩如圖形來觀察。和角頻率、傳播時(shí)間之間有如下關(guān)系：同時(shí)有，,當(dāng)時(shí)，得?！?shí)驗(yàn)時(shí)，通過改變發(fā)射器與接收器之間的距離，可觀察到相位的變化。而當(dāng)相位差改變時(shí)，相應(yīng)的距離的改變量即為半個(gè)波長。由波長和頻率值可求出聲速。3．理想氣體中的聲速值聲波在理想氣體中的傳播可認(rèn)為是絕熱過程，因此傳播速度可表示為(1)式中R為氣體普適常量(R=8.314J/(mol.k))，是氣體的絕熱指數(shù)(氣體比定壓熱容與比定容熱容之比)，為分子量，為氣體的熱力學(xué)溫度，若以攝氏溫度計(jì)算，則：代入

4、式(1)得，(2)　　對于空氣介質(zhì)，0℃時(shí)的聲速=331.45/s?！緝x器裝置】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。1）聲速測定裝置如圖4所示圖4　數(shù)顯聲速測量裝置結(jié)構(gòu)圖1-電源開關(guān);2－位移顯示;3－位移顯示置零;4－位移調(diào)節(jié);5－信號輸入;6－超聲發(fā)射器;7－超聲接收器;8－接收信號輸出;9-轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)軌圖4中，6和7分別為超聲發(fā)射器和超聲接收器；5和8分別為發(fā)射器信號輸入和接收器信號輸出；1為數(shù)顯游標(biāo)卡尺電源開關(guān)；2為位移顯示；3為位移顯示置零；4為位移調(diào)節(jié)。2）聲速測定裝置分三部分：A．超聲波發(fā)射器和超聲波接收器。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5超聲波

5、傳感器(a)外形圖;(b)電路符號;(c)內(nèi)部結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的工作頻率約為40KHz，其中超聲波接收器與超聲波發(fā)射器結(jié)構(gòu)相似，只是兩種壓電晶片的性能有所差別。接收型壓電晶片的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男矢?；而發(fā)射型相反，電能轉(zhuǎn)變機(jī)械能效率高。B．?dāng)?shù)顯游標(biāo)卡尺。它有一個(gè)位移傳感器及液晶顯示器。游標(biāo)移動(dòng)時(shí)，能直接顯示其移動(dòng)距離，液晶顯示器上有一個(gè)電源開關(guān)（圖4中1），使用時(shí)打開，使用完畢即關(guān)斷。還有一置零開關(guān)（圖4中3），正式測量前先將數(shù)字置零。C．正弦波發(fā)生器。其輸出正弦波信號，頻率連續(xù)可調(diào)?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】(一)聲音在空氣中傳播速度測量1．調(diào)整測試系統(tǒng)的諧振頻率按圖4將實(shí)驗(yàn)裝置接好。正弦

6、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(gè)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(shí)為該位置極大值。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)地移動(dòng)接收端的位置，測量相繼出現(xiàn)20個(gè)極大值所相應(yīng)的各接收面位置，再用逐差法求波長值。在用相位比較法時(shí)，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(gè)同頻率互相垂直的簡諧振動(dòng)

7、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(fù)的直線。記錄游標(biāo)卡尺上讀數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇李薩如圖形為直線時(shí)所對應(yīng)的位置。每移動(dòng)半個(gè)波長，就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)斜率正負(fù)交替的直線圖形。3．測量實(shí)驗(yàn)溫度，由式（2）求出聲速值。4．將上述兩種方法的測量結(jié)果和理論計(jì)算值比較，并計(jì)算相對偏差?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】1．相位法測聲速表1相位法測量結(jié)果接收序號接收序號12345678910111213141516171819202．共振干涉法測聲速表2共振干涉測量結(jié)