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)中傳播的機械波，聲速是描述聲波在媒質(zhì)中傳播特性的一個基本物理量。在空氣中，一些波動現(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?！∮捎诔暡ň哂胁ㄩL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是比較方便的。本實驗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

2、現(xiàn)象，將測量結(jié)果與理論計算進行比較，從而對波動學的物理規(guī)律和基本概念有更深的理解?！緦嶒炘怼俊?．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。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。不難看出，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

3、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到極大值時接收面之間的距離()，就可以用計算聲速。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，其相位差可利用示波器的李薩如圖形來觀察。和角頻率、傳播時間之間有如下關(guān)系：同時有，,當時，得?！嶒灂r，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。而當相位差改變-5-時，相應(yīng)的距離的改變量即為半個波長。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為是絕熱過程，因此傳播速度可表示

4、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，為氣體的熱力學溫度，若以攝氏溫度計算，則：代入式(1)得，(2)　　對于空氣介質(zhì)，0℃時的聲速=331.45/s。【儀器裝置】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-5-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)動導(dǎo)軌圖4中，6和7分別為

5、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。-5-圖5超聲波傳感器(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械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男矢?；而發(fā)射型相反，電能轉(zhuǎn)變機械能效率高。B．數(shù)顯游標卡尺。它有一個位移傳感器及液晶顯示器。

6、游標移動時，能直接顯示其移動距離，液晶顯示器上有一個電源開關(guān)（圖4中1），使用時打開，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)?！緦嶒瀮?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

7、，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。-5-當測得一聲速極大值后，連續(xù)地移動接收端的位置，測量相繼出現(xiàn)20個極大值所相應(yīng)的各接收面位置，再用逐差法求波長值。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

8、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．測量實驗溫度，由式（2）求出聲速值。4．將上述兩種方法的測量結(jié)果和理論計算值比較，并計算相對偏