《聲速的測量》PPT課件

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1、超聲聲速測定太原理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心一、聲波背景二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜?、?shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)儀器五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容六、數(shù)據(jù)處理一、聲波背景1、聲音與我們的生活2、聲速測量的目的3、聲速測量的發(fā)展自然界中充滿了各種各樣的聲音：收音機(jī)里播放的悅耳音樂聲，飛機(jī)掠過長空時(shí)擾人的噪聲，狂風(fēng)的呼嘯聲，海禱的怒吼聲，爽朗的歡笑聲，歡暢的交談聲，……等等，在日常生活中處處都可以聽到?？梢娐曇襞c我們的生活是密切相關(guān)的。人類對聲學(xué)的研究最早可以追溯到公元前580年埃及人畢達(dá)哥拉斯。而古希臘人亞里士多德接觸到聲學(xué)理論，他持有關(guān)于空氣的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)構(gòu)成聲音的正確思想，并且

2、他還知道，如果管的長度加倍，則管內(nèi)的振動(dòng)就要花兩倍的時(shí)間。1.聲音與我們的生活牛頓在他的《原理》中對聲速作了理論推導(dǎo)，但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與此并不相符，牛頓推測了實(shí)驗(yàn)值和理論值之間不一致的原因。但是，真正的解釋是在過了一個(gè)世紀(jì)之后由拉普拉斯(1749—1827)做的。牛頓沒有考慮到由于壓縮變熱和稀疏致冷引起的彈性變化。今天人們對聲音的研究，從語音聲學(xué)、生理聲學(xué)、建筑聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、水聲學(xué)、超聲學(xué)等等，遍及各個(gè)領(lǐng)域。特別值得一提的是次聲波，次聲波指的是頻率在0.0001赫茲至20赫茲之間的波。雖然我們的耳朵聽不見它，在我們周圍由自然和人

3、工產(chǎn)生的次聲波也很多。2、聲速測量的目的聲學(xué)測量和分析是人們認(rèn)識聲學(xué)問題本質(zhì)的一種手段。通過必要的測量和分析可以對聲學(xué)有定量概念，從而了解其規(guī)律性。聲學(xué)測量通常是指先用電聲(或機(jī)電)換能器把聲波(或振動(dòng))轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，然后用電子儀表放大到一定的電壓，再進(jìn)行測量與分析的技術(shù)以及有關(guān)聲學(xué)儀器的工作原理．3、聲速測量的發(fā)展二十世紀(jì)以來，聲學(xué)測量技術(shù)發(fā)展很快．目前聲學(xué)儀器有較大發(fā)展，并具有高保真度，如寬的頻范圍和動(dòng)態(tài)范圍，小的非線性畸變和良好的瞬態(tài)響應(yīng)等。過去，測量聲波和振動(dòng)的儀表都是模擬式電子儀表，測量的速度和準(zhǔn)確度受到一定的

4、限制。六十年代初。出現(xiàn)了數(shù)字式儀表，直接采用數(shù)字顯示，提高了測量時(shí)讀數(shù)的準(zhǔn)確度。由于計(jì)算技術(shù)和高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路的發(fā)展，人們已能用由微處理機(jī)控制的自動(dòng)測量代替逐點(diǎn)測量，使許多需要事后計(jì)算的聲學(xué)測量和分析工作可以用微計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)算。以微處理機(jī)為中心的測量儀器，不但實(shí)現(xiàn)了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)分析。同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的聲學(xué)測量和分析方法，例如實(shí)時(shí)頻譜分析，聲強(qiáng)測量，聲源鑒別，瞬態(tài)信號分析，相關(guān)分析等。今后聲學(xué)測量的任務(wù)是采用新的測量技術(shù)，提出新的測量力法，使用自動(dòng)化數(shù)字式儀器，以提

5、高測量的淮確度和速度?；仡櫄v史，可以看到，在發(fā)展經(jīng)典聲學(xué)的過程中，許多研究工作是直接用人耳來聽聲音的。直到本世紀(jì)，發(fā)展了無線電電子學(xué)，才使聲波的測量采用了電聲換能器和電子測量儀器。高性能的測量傳聲器、頻譜分祈儀和聲級記錄器實(shí)現(xiàn)了聲信號的聲壓級測量，頻譜分析和聲情號特性的自動(dòng)記錄；從而可以測量各種不同頻率、不同強(qiáng)度和波形的聲波，擴(kuò)展了聲學(xué)的研究范圍，促進(jìn)了近代聲學(xué)的發(fā)展?？梢云谕?，計(jì)算技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微計(jì)算機(jī)和微處理機(jī)在聲學(xué)工作中的應(yīng)用，必將促使近代聲學(xué)進(jìn)一步發(fā)展．二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)用共振干涉法和相位比較法測定空氣

6、中的聲速。加深對共振、振動(dòng)合成、波的干涉等理論2、了解壓電換能器的功能及超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接受原理3、熟悉低頻信號函數(shù)發(fā)生器、模擬示波器的使用使用方法。聲速的特點(diǎn)頻率在20～20000Hz的聲振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中所激起的縱波稱聲波。聲波是一種機(jī)械波。頻率超過20000Hz的聲波稱為超聲波。聲波的頻率、波長、速度、相位等是聲波的重要特性。聲波在空氣中的傳播速度與聲波的頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)，因此有γ-絕熱系數(shù)，R-摩爾氣體常數(shù)，μ-空氣分子的摩爾質(zhì)量，T-絕對溫度三、實(shí)驗(yàn)原理由此可見，氣體中的聲速v和溫度T有關(guān)，還

7、與比熱比γ及摩爾質(zhì)量μ有關(guān)，后兩個(gè)因素與氣體成分有關(guān)。因此，根據(jù)測定出的聲速還可以推算出氣體的一些參量。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0oC時(shí)，聲速為vo＝331.45m／s，顯然在toC時(shí)，干燥空氣中聲速的理論值應(yīng)為由此我們也可以想象，在極地和赤道聲音傳播的速度是不同的。本實(shí)驗(yàn)是對超聲波波速的測量。測量聲速最簡單、最有效的方法之一是利用聲速v、振動(dòng)頻率f和波長λ之間的基本關(guān)系，即v=fλ測出聲振動(dòng)頻率f和聲波的波長λ，就可算出聲波的波速v。當(dāng)然這僅僅是一種最簡便的近似測量。實(shí)驗(yàn)室中常利用，用共振干涉法、相位比較法測定波長λ，由函數(shù)發(fā)生器或示

8、波器直接讀出頻率f。測量方法共振干涉法（駐波法）S1發(fā)射S2反射干涉而成駐波LS2表面聲壓與其位置的關(guān)系Lp波腹波節(jié)結(jié)論：每兩個(gè)相臨波腹（波節(jié)）間的距離為s1和s2為壓電陶瓷超聲換能器，s1作為超聲源（發(fā)射頭），信號源發(fā)出的正弦電壓信號接到換能器s1后，即能發(fā)出一平面聲波。s