声速的测量
物理实验报告
班级土木1804 姓名 123 学号 201806050412 实验日期 20190530
实验名称:声速的测量
1.实验原理：
由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f λ，只要知道频率和波长就可以求出波速。
本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输出频率就是声波频率。
声波的波长用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）测量。
下图是超声波测声速实验装置图。
驻波法测波长
由声源发出的平面波经前方的平面反射后，入射波与发射波叠加，它们波动方程分别是：
叠加后合成波为：
的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：
的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：
因此只要测得相邻两波腹（或波节）的位置Xn、X n-1即可得波长。
相位比较法测波长
从换能器S1发出的超声波到达接收器S2，所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差：其中λ是波长，x为S1和S2之间距离。
因为x改变一个波长时，相位差就改变2π。
利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。
不同ϕ 的李萨如图
2. 实验内容：
1．调整仪器使系统处于最佳工作状态，换能器共振频率约为35KHz。
2．用驻波法（共振干涉法）测波长和声速。
3．用相位比较法测波长和声速。
注意事项
1．确保换能器S1和S2端面的平行。
2．信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率f0保持一致。
3. 实验数据
1）用相位法测波长和声速
2）用驻波法（或共振干涉法）测声速。
4. 思考题：
1．固定距离，改变频率，以求声速。
是否可行？
2．各种气体中的声速是否相同？为什么？
答：1.不可行，改变频率会使图形的范围变化，且变化范围极小，不可能得到多组数据。
2.不相同，因为气体作为传播声音的介质，介质不相同，传播速度也不相同。
评定：
签字：
日期：。
测量声速的方法及原理
测量声速的两种比较常用的方法及其原理：
直接法：直接法是通过测量声波在空气中传播的时间和距离来计算声速。
在实验中，通常使用一个特制的装置，通过发射声波和接收声波的方式测量声波在空气中的传播时间和距离。
具体的操作流程如下：
（1）发射声波，然后开始计时。
（2）当声波到达接收器时，停止计时。
（3）记录声波的传播距离和时间。
（4）根据公式v=d/t 计算声速，其中v 为声速，d 为声波传播距离，t 为声波传播时间。
共振法：共振法是利用管道或者容器的谐振特性来测量声速。
在实验中，使用一个特制的装置，通过调整管道或容器的长度和调整共振频率来测量声速。
具体的操作流程如下：
（1）在一个固定的频率下，调整管道或容器的长度，使得共振现象出现。
（2）测量共振频率，记录管道或容器的长度。
（3）根据公式v=fλ计算声速，其中v 为声速，f 为共振频率，λ为共振波长。
这两种方法测量声速的原理都是基于声波在介质中传播的速度和特性来实现的。
声波在空气中传播的速度取决于空气温度、压力和湿度等因素，因此在实验中，需要考虑这些因素的影响并进行校正，以确保测量结果的准确性。
简述测定声速的步骤
简述测定声速的步骤
测定声速的步骤可以概括为以下几个:
1. 准备仪器和材料：根据需要选择合适的声速测定仪器和材料，例如共振干涉法测波长、超声波发射器、水缸等。
2. 调节仪器：根据测量要求，调节好仪器的参数和工作状态，例如示波器、超声波频率等。
3. 确定波长：使用共振干涉法测波长仪器，通过调节谐振频率，使仪器发出较强的超声波，然后测量超声波传播的距离，计算出波长。
4. 测量声速：根据波长和声速的关系，测量出空气中的声速或水中的声速，一般采用同时放光 (或烟雾) 和声音的方法。
5. 数据处理：将测量得到的声速值进行处理和计算，得到准确的声速值。
需要注意的是，声速的测量需要选择合适的仪器和方法，并严格按照实验要求进行操作，以保证测量结果的准确性和可靠性。
测量声速可以采用哪几种方法
测量声速可以采用哪几种方法
测量声速可以采用以下几种方法：
1. 直接测量法：通过在已知距离上进行声波传播的时间测量来计算声速。
这可以通过发送一个声波脉冲，并使用计时器来测量声波传播的时间来实现。
2. 声波干涉法：利用声波传播时产生的干涉现象来测量声速。
这可以通过发送两个或多个声波脉冲，观察干涉图案并测量干涉条纹的移动速度来实现。
3. 声波共振法：利用共振现象来测量声速。
这可以通过在管道内产生声波，并调节频率直到管道共振的状态，然后测量共振频率来实现。
4. 超声波测量法：利用超声波在介质中传播的特性来测量声速。
这可以通过发送超声波脉冲，并测量其在介质中传播的时间来实现。
5. 光学测量法：采用光学技术测量介质中声波传播的速度。
这可以通过使用激光干涉仪或其他光学仪器来实现。
总的来说，不同的测量方法适用于不同的场景和需求。
选用合适的方法可以提高测量的准确性和可靠性。
声速的测定
实验3 声速测定【实验目的】1．了解超声波的产生、发射和接收方法。
2．用驻波法、行波法和时差法测量声速。
【实验仪器】声速测试仪，示波器，声速测试仪信号源等。
【预习要求】1. 确定实验步骤。
2. 列出数据记录表格。
【实验依据】声波的传播速度与其频率和波长的关系为=λ (1)v⋅f由（1）式可知，测得声波的频率和波长，就可得到声速．同样，传播速度亦可用= (2)v/tL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．高于20kHz称为超声波。
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可以在短距离较精确地测出声速。
声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间，在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。
这种压电陶瓷是利用压电效应和磁致伸缩效应实现电磁振动与机械振动的相互转换。
压电陶瓷制成的换能器（探头）如图8-1所示。
图 8-1 纵向换能器的结构简图压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。
声速教学实验中所用的大多数采用纵向（振动）换能器。
【实验内容与方法】1．共振干涉法（驻波法）测声速实验装置如图8-2 所示。
(a) 驻波法、相位法连线图图中S 1和S 2为压电晶体换能器，S 1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一近似的平面声波；S 2 为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。
当S 1 和S 2的表面互相平行时，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,2,1,0,2==n n L λ (3)时，来回声波的波峰与波峰、波谷与波谷正好重叠，形成驻波。
因为接收器S 2 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，所以当形成驻波时，接收器的输出会出现明显增大，从示波器上观察到的电压信号幅值也是极大值（如图8-3）。
声 速 的 测 量(超声波法)
声速的测量（超声波法）声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。
声波在媒质中传播时，声速，声强等诸多参量都和媒质的特性与状态有关，通过测量这些声学量可以测知媒质的特性及状态变化。
例如，通过测量声速可求出固体的弹性模量：气体、液体的比重、成分等参量。
在同一媒质中，声速基本与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹，声速变化不到万分之二。
由于超声波具有波长短，易于定向发射，不会造成听觉污染等优点，我们通过测量超声波的速度来确定声速。
超声波在医学诊断，无损检测，测距等方面都有广泛应用。
声速的测量方法可分为两类；第一类方法是直接根据关系式v＝S/t，测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，称为“时差法”。
第二类方法是利用波长频率关系式v＝fλ,测量出频率f和波长λ来计算出声速。
【实验目的】1．了解超声换能器的工作原理和功能2．学习不同方法测定声速的原理的技术3．熟悉测量仪和示波器的调节使用4．测定声波在空气及水中的传播速度【实验仪器】QSSV-2型声速测定实验仪、示波器【实验原理】一、声速在空气中的传播速度在理想气体中声波的传播速度为v=（1）式中γ =Cp/Cv称为比热比，即气体定压比热容与定容比热容的比值，μ是气体的摩尔质量，Ｔ是绝对温度，Ｒ＝8.31441J/moL•K为普适气体常数。
由(1)式可见，声速与温度有关，又与摩尔质量μ及比热比γ有关，后两个因素与气体成分有关因此，测定声速可以推算出气体的一些参量。
利用（1）式的函数关系还可制成声速温度计。
在正常情况下，干燥空气成分按重量比为氮：氧：氩：二氧化碳＝78.084:20.946:0.934:0.033。
它的平均摩尔质量为0μ＝28.94×10-3kg/moL 在标准状态下，干燥空气中的声速为0v =331.5m/S 。
在温室t ℃下，干燥空气中的声速为0v v = （2）式中Ｔ0＝273.15K 。
由于空气实际上并不是干燥的，总含有一些水蒸气，经过对空气平均摩尔质量a μ和比热比γ的修正，在温度为t 、相对温度为t 0的空气中，声速为（3） 式中s p 为t ℃时空气的饱的和蒸气压，可从饱和蒸气压、蒸气压和温度的关系表中查出；Ｐ为大气压，取P =1.013×105Pa 即可；相对温度r 可从干湿温度计上读出。
声速的测定
实验十三声速的测定声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。
声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量，它的测量方法可分为两类；第一类方法是根据关系式V=L/t，测出传播距离L和所需时间t 后，即可算出声速V；第二类方法是利用关系式V=fλ，从测量其频率f和波长λ来算出声速V。
本实验所采用的共振干涉法和相位比较法属于后者，时差法则属于前者。
由于超声波具有波长短、易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。
通常利用压电陶瓷换能器来进行超声波的发射和接收。
一、实验目的1．学会用驻波共振法和位相比较法测定超声波在空气中的传播速度。
2．进一步学习使用示波器和信号发生器。
3．加强对驻波及振动合成等理论的理解。
二、实验仪器声速测定仪为观察、研究声波在不同介质中传播现象，测量这些介质中声波传播速度的专用仪器。
1．声速测定仪图1 声速测试架外型示意图2．仪器配套性表1 超声速测量实验仪器配套性表声速测定仪1台双踪示波器1台信号发生器1台信号连接线3根三、实验原理1．超声波与压电陶瓷换能器- 1 -- 2 -频率20Hz-20kHz 的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz 称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点。
声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz 之间，在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。
图2 纵向换能器的结构简图压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。
声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。
图7-2为纵向换能器的结构简图。
2．驻波共振法测定声速假设在无限声场中，仅有一个点声源S 1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S2）。
当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。
在上述假设条件下，发射波11cos(2/)A t x ξωπλ=+。
测量声速用什么方法
测量声速用什么方法
测量声速的常用方法包括：
1. 时间差法：通过测量声波在两个不同位置之间传播的时间差来计算声速。
在实际测量中，可以通过发射一个短声波脉冲，然后在接收到回声信号时计时，从而测得声波在空间中的传播时间。
2. 重叠法：利用两个或多个声源在同一时刻发出声波，并在另一位置同时接收到这些声波，通过测量声波在空间中的传播距离以及时间差，来计算声速。
3. 多普勒效应法：利用多普勒效应，即声源和接收器之间的相对运动引起的频率变化，来测量声速。
通过测量声波频率的变化，可以计算出声速。
4. 共振法：通过声波在介质中的传播速度与介质本身的声速之间的关系，来测量声速。
具体方法包括毕奥-萨伊法、共振腔法等。
5. 插播法：在声速已知的介质中插播一定长度的空气柱，通过测量声波在空气柱中的传播时间和空气柱长度，来计算出声速。
不同的测量方法适用于不同的场景和要求，可以选择合适的方法来进行声速的测量。
声速的测定
声速的测定在弹性介质中，频率从20Hz 到20KHz 的振动所引起的机械波称为声波，高于20KHz 的波称为超声波，超声波的频率范围为4102⨯Hz ～8105⨯Hz 之间。
超声波的传播速度就是声波的速度。
超声波具有波长短，易于定向发射等优点，常被用于声速测量中的波源。
一、 实验目的1、 了解超声波的产生、发射和接收方法；2、 用驻波法、行波法和时差法测量声速。
二、 实验仪器SV-DH 系列声速测试仪，示波器，声速测试仪信号源，三、 实验原理声波在空气中的传播速度可表示为 M RTv γ= （1）式中γ是空气定压比热容和定容比热容之比（VP c c =γ），R 是普适气体常数，M 是气体的摩尔质量，T 是热力学温度。
从公式（1）可以看出，温度是影响空气中声速的主要因素。
如果忽略空气中的水蒸气和其他夹杂物的影响，在0℃（K T 15.2730=）时的声速45.33100==M RT v γm/s在t ℃时的声速可以表示为 15.27310t v v t += （2） 由波动理论知道，波的频率f 、波速v 和波长λ之间有以下关系λf v = （3）所以只要知道频率和波长就可以求出波速。
本实验用低频信号发生器控制换能器，故信号发生器的输出频率就是声波的频率。
而声波的波长可以用驻波法（共振干涉法）、行波法（相位比较法）以及时差法来进行测量。
1、 驻波法（共振干涉法）测量波长如图1-1，由声源1S 发出的平面波沿X 方向传播经前方平面2S 反射后，入射波和反射波叠加。
它们的波动方程分别为)(2cos 1λπx ft A Y -= （4） )(2cos 2λπx ft A Y += （5） 图1-1 实验装置与 ft x A Y Y Y πλπ2cos 2cos 221⨯=+= （6） 工作原理图 当12cos =λπx时，合成波中满足此条件的各点振幅最大，称为波腹 可解得2λnx ±=（n=0，1，2，3，…）处就是各波腹的位置，相邻两波腹的距离为半波长（2λ）。
声速的测定
﹡数据记录与处理
1.逐差法计算波长λ ，得到超声波传播速度 v f
共
2 25
L10 L5 L9 L4 L6 L1
2.计算位 超 声215波l1在0 空l5气中l9传播l4速度的 理l6 论 l值1 vS，求出两种测量
方法得到的v的相对误差E
vS 331.45 0.59t m / s
二、 相位比较法（行波法）
L 干涉而成驻波
S1发射
S2反射
声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场 在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但 它和声源的振动相位差Δj不随时间变化。
j 2 L
S1接X通道,S2接Y通道，移动S2,得到如下李萨如图形：
j 0 j
2
j j 3
2
结论：每次出现重复图形S2移动的距离为λ
vi=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。
将接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以计时器 不跳字为好。介质选择为“金属”（或“非金属”）。将固体 棒紧密接在两个换能器上。
提示：金属棒的计时读数在20～60μs之间，塑料棒的计时 读数在100～250μs为正常值，跳字或者大于这个范围的一般是 没有接触好。
﹡补充材料及仪器介绍
压电换能器简介
有些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生 形变时，其表面会产生电荷，去掉外力时又回到不 带电状态，这种现象叫做压电效应；具有该效应的 物质为压电材料；利用压电材料的压电效应制成的 换能器叫做压电换能器。
SV5型声速测量专用信号源
示波器
扫描频 率调节
扫描 频率 微调
发射波与接收波
﹡实 验 装 置
信号源
S1 超声声速测定仪 S2
声速测量
实验四 声 速 测 量声波是一种在弹性媒质中传播的纵波，其频率低于20Hz 的声波为次声波，频率高于20KHz 的声波为超声波，它们都不能被人听到，频率在20Hz~20KHz 的声波可以被人听到。
称为可闻声波。
声速的测量通常有两方面用途。
一方面，由于声波的传播与媒质的特性和状态等因素有关，因此通过声速的测量，可以了解被测媒质的特性及状态的变化。
例如，声波在空气中传播速度为m KT /γυ=，其中γ为空气定压和定容比热容之比，即)/(V P C C =γ，K 为玻尔兹曼常数，m 为气体分子的平均质量，T 为绝对温度。
因此，对某媒质中声速的测量可以得到此媒质的某些特性或它的状态变化的某些信息。
此外，还可进行气体成份的分析；比热容比的测定；测定溶液的浓度；确定固体材料的弹性模量等。
超声波具有波长短，能定向传播等优点。
在实际应用中，可以用来测距、定位、探伤，测流体流速，测量气体温度瞬间变化等。
这些测量都离不开声波的传播速度的测量。
一．实验目的(1) 加深对声波的产生、传播和相干等知识的理解。
(2) 学习测量空气中声速的方法。
(3) 了解压电换能器的功能和示波器的基本结构及使用方法。
二．实验原理声速测量的常用方法有两类，一类测量声波传播距离L 和时间间隔t ，即可根据t L =υ计算出声速υ；另一类是测出频率f 和波长λ，利用关系式λυ⋅=ƒ （4-4-1） 计算声速υ。
本实验采用第二种方法测量。
虽然公式(4-4-1)给出的声速等于频率与波长的乘积，但是声波在空气中的传播速度与声波的频率是无关的，而只取决于空气本身的性质。
声速的理论值由下式决定： μγυRT = （4-4-2） 式中γ为空气定压比热容与定容比热容之比，R 为摩尔气体常数，μ为气体的摩尔质量，T 为绝对温度。
在0℃时，声速s m /45.3310=υ。
显然在t ℃时的声速应为： 15.273115.27300t T t +==υυυ （4-4-3） 如果测到了声速，由（4-4-2）式还可求出空气的比热容比γ。