声速测定讲稿
声速测量PPT课件
05
声速测量的实际应用案例
水下声速测量在海洋探测中的应用
总结词
水下声速测量在海洋探测中具有重要意义，能够提供海洋环境参数、水下地形地貌、水下目标物等信 息。
详细描述
水下声速测量是通过声波在水中传播的速度进行测量，可以获取水深、水温、盐度、流速等海洋环境 参数，同时还可以探测水下地形地貌和目标物，如沉船、潜艇等。这些信息对于海洋科学研究、海洋 资源开发、海洋环境保护等方面具有重要意义。
分析实验结果，探究声速与介质、温度等因 素的关系。
数据处理
根据实验数据计算声速的平均值、标准差等 统计指标。
结论总结
根据实验结果得出结论，总结实验的意义和 价值。
04
声速测量中的误差分析
测量误差的来源
仪器误差
测量仪器本身存在的误差，如灵敏度、 分辨率等。
环境因素
如温度、湿度、气压等环境条件的变 化，可能影响声速的测量结果。
用于记录和处理实验数 据。
如水、玻璃板、橡皮泥 等，用于辅助实验操作。
选择一个相对安静、无 干扰的环境进行实验。
实验步骤与操作
安装设备
将声速测量仪的发射器和接收器分别固定在 两个相对的位置上，确保它们之间的距离可 调。
调试设备
调整发射器和接收器的角度和高度，确保信号 能够顺利传输。
开始测量
在电脑中打开声速测量软件，开始记录数据。
空气中声速测量在声音传播研究中的应用
要点一
总结词
要点二
详细描述
空气中声速测量在声音传播研究中具有重要价值，能够揭 示声音传播规律、声源特性以及声音控制技术。
空气中声速测量是通过测量声波在空气中的传播速度，可 以研究声音传播规律，如声波的干涉、衍射、散射等现象 。同时还可以研究声源特性，如声功率、声压级、频率特 性等。此外，空气中声速测量还可以应用于声音控制技术 ，如消音、隔音、声音定向传输等。这些研究对于声音环 境保护、声音信号处理、音频设备研发等方面具有重要意 义。
大学物理实验-声速的测定
大学物理实验-声速的测定声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。
声速是描述声波在媒质中传播的特性的一个基本物理量，它最简单的测量方法是直接从声速的振动的频率和波长之间的关系（即）测得。
本实验利用压电陶瓷的声电可逆效应来发射和接收超声波，并借助于示波器来进行测量。
超声波具有波长短、定向性强且无噪音等优点，所以实验室常用超声波来测量声速。
在实际应用中，测超声波传播速度对于超声波测距、定位、探伤、液体流速、材料的弹性模量、气体温度的瞬间变化等方面都有十分重要的意义。
【实验目的】1．通过测定声波在空气中传播的速度，了解声波的特性。
2．用相位差法和驻波法测声速，加深振动合成和波动干涉理论的理解。
3．进一步掌握示波器、信号发生器的使用。
【实验原理】声速在理想气体中的传播可认为绝热过程，其传播速度为：f λf v λ=（1）式中为气体分子量，为摩尔气体常数，为气体比热容比，为开氏温度，若以摄氏温度表示：代入（1）式得对于空气介质，0℃时的声速。
若同时考虑到空气中水蒸汽的影响，校准后的速度理论值为：式中为相对湿度,从实验室干湿温度计中查得。
为℃时的饱和蒸气压，为此时的大气压，从实验室中福廷气压计上读取。
它们的读法分别见空气密度测量一节中附录1和附录3。
实验测量声速，实际上声源频率是已知的，主要是测量声音传播的波长，波长测量方法有以下两种： 1．驻波共振法μγRT v =μR γT t T T +=0Tt v T t T R t T R v +=+⋅=+=11)(0000μγμγs m v 45.3310=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=P SP T t v W 032.01145.3310理S 0W P t P设有从发射器发出的一定频率的声波，经空气媒质传播，到达接收器，如果接收面和发射面平行，即入射波在接收面上垂直反射，则两列波发生迭加（干涉）形成驻波。
驻波虽不受两波源间的距离条件的限制，但实际上驻波形成的强度、稳定性都因距离的不同而有很大的差异，同时只有当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时才能共振，驻波的共振不仅与系统的固有频率有关，而且取决于边界条件，即发射端面和接收端，由端面的性质可知必定是波节（如图1）。
《超声声速仪测声速》课件
超声成像技术
利用超声波的反射和透射信号， 通过计算机图像处理技术，将声 信号转换为图像信号，实现介质 的可视化检测。
03
超声声速仪原理
声速的定义与测量方法
声速定义
声速是指声波在介质中传播的速度，单位为米/秒（ m/s）。
测量方法
通过测量声波在介质中的传播时间和距离，可以计算 出声速。
传统测量方法
《超声声速仪测声 速》ppt课件
目录
• 引言 • 超声波基础知识 • 超声声速仪原理 • 实验操作与数据处理 • 结果解读与误差分析 • 结论与展望
01
引言
主题介绍
超声声速仪测声速的定义
超声声速仪是一种用于测量声波在介质中传播速度的仪器。它利 用超声波在介质中的传播特性，通过测量超声波的传播时间和距
应用领域
超声声速仪的应用领域非常广泛，包括物理学、化学、 生物学、医学、工程学和环境科学等。例如，在物理学 中，通过测量声速可以研究物质的微观结构和介质的物 理性质；在化学中，可以用来研究化学反应过程中介质 的物性变化；在生物学中，可以用来研究生物组织的声 学特性；在医学中，可以用来进行超声成像和超声治疗 ；在工程学中，可以用来进行无损检测和质量控制；在 环境科学中，可以用来监测环境污染和评估环境质量。
02
超声波基础知识
超声波定义与特性
超声波定义
超声波是指频率高于20000赫兹的机 械波，具有波长短、频率高、穿透力 强等特点。
超声波特性
超声波在介质中传播时，具有方向性 好、能量集中、穿透力强等特性，能 够传播较远的距离。
超声波的产生与传播
超声波的产生
超声波通常由压电效应或电磁效应产 生，通过换能器将电信号转换为机械 振动，从而产生超声波。
声速测定
实验二声速测量实验目的1）理解波动、波的反射及波的合成等基本概念；2）了解超声换能器的结构原理和工作过程；3）掌握声波波长和声速的测量方法。
仪器用具声速测定信号源、超声实验装置，双踪示波器、温度计实验原理在空气中传播的机械波，若频率低于20k Hz的叫次声波，若频率高于20kHz的叫超声波，介于二者之间的称为声波。
次声波和超声波不能引起人的听觉。
这些机械波在空气或水中以纵波形态传播，在固体内则可以纵波或横波形态传播。
超声波在现今的人类社会应用广泛，超声技术也是当代科学技术的一个重要范畴。
因此，声速的测量是物理学及物理实验的一项重要的基础测量。
本实验介绍用超声声速测定仪测量声速的理论依据、声速测定仪的组成及测定方法。
由于实验要用到信号发生器和示波器，所以，在实验前必须对这两种仪器的用途及使用方法有所了解。
1）实验的波动方程设在理想介质中有一平面简谐波沿z轴正向传播，其波动方程为y1=A1sin(ωt- kx)式中y1为介质中质点相对于平衡位置的位移，A1为振幅，ω 为声源的角频率，k=2π／λ称为波数，λ 为波长。
所谓理想介质，是指波在其中传播时，没有能量损耗，故波动振幅保持恒定。
若有一与x轴垂直的无限大平面，入射波被该平面反射后，出现一列沿x轴负向传播的波，其方程为y2 = αA1sin (ωt+ kx)式中y2为质点相对予平衡位置的位移，α 为小于1的系数，αA1表示反射波的振幅只是入射波的一部分。
沿x轴正向和负向传播的波叠加之后，质点的波动方程为)sin()sin()sin(1121ϕωωαω-=++-=+=t A kx t A kx t A y y y其中kx kxA A tan 11tan 2cos 2121ααϕαα+-=++= 由上面三式可以得出如下结论：第一，由于式中的ϕ 是坐标x 的函数，故合成的波动y 虽然不再是平面简谐波，但仍然是沿x 轴传播的行波。
第二，x 每改变一个波长，tan ϕ 就恢复原值，也就是ϕ 改变了2π 。
声速的测定ppt课件
1 -20 0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
-40
-60
-40
-80
-60
干涉 发射 反射
干涉 发射 反射
结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为 2
实验方法 2．相位比较法
从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为 φ=ωt =2πf/v=2π l /λ
S1与S2之间变化一个波长λ，φ相位差变化，示波器上
点位移为波节的地方，声压为波腹。
在作为反射面的刚性平面处，空气质点的位移恒为零，声压恒为波
腹，其振幅为
p(l) 0va
sin kl
实验方法
当l改变时，刚性平面处声压振幅也改变，且
p(l ) p(l)
2
根据p(l)随l周期变化的原理，可求出半波长
按实验原理图将仪器接好，调整信号发生器的频率f （约
T0
P 气的饱和蒸汽压
实验装置
实验方法
1．共振干涉法
图中S1和S2，为压电陶瓷超声换能器，S1作为超声源(发 射)，低频信号发生器发出的正弦电压信号接到换能器后，即 能发出一平面声波。S2作为超声波的接收头，接收的声压转 换成电信号后输入示波器观察，S2在接收超声波的同时还反 射一部分超声波。
实验方法
所观察到的李萨如图随之变化一个周期。
实验方法
同时将信号源发射端接入示波器的X轴、反射端接入示波器 的Y轴，示波器采用X-Y扫描、这时示波器将显示一椭圆或 直线。
当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大小会随发 射－接收的距离l发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。
利用李萨如图形找出同相（Φ=0）或反相（Φ=）时椭圆退 化为右斜或左斜直线，调整接收器的位置，注意屏幕上出现 的椭圆相位（例如Φ=0或Φ=），继续移动接收换能器、直 到椭圆或直线的相位完全重复上述椭圆或直线的相位、这时 所移动距离恰好为一个波长，为使测量值更加准确，可多移 动几个波长。采用逐差法处理数据。
声速测定仪实验讲义(SV5)
空气介质中的声速测量(SV3型声速测定仪使用说明) (SV5型声速测定专用信号源)实验讲义空气介质的声速测量声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于Hz 20的声波称为次声波；频率在kHz 20~Hz 20的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在kHz 20以上的声波称为超声波。
超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。
因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。
例如，测量氯气（气体），这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。
可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
【实验目的】1．了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。
2．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。
【实验原理】在波动过程中波速V 、波长λ和频率f 之间存在着下列关系：λ•=f V ，实验中可通过测定声波的波长λ和频率f 来求得声速V 。
常用的方法有共振干涉法与相位比较法。
声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系：t V L •= ，只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V ，这就是时差法测量声速的原理。
1．共振干涉法（驻波法）测量声速的原理：当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。
对于波束1：)/X 2t cos(A F 1λ•π-ω•=、波束2：()λ•π+ω•=/X 2t cos A F 2，当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：()t cos /X 2cos A 2F 3ω•λ•π•=，这里ω为声波的角频率，t为经过的时间，X 为经过的距离。
由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按()λ•π/X 2cos 变化。
如图1所示。
压电陶瓷换能器1S 作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器2S 则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。
文档：声速的测量 讲义
声速的测量在弹性介质中，频率从20Hz到20kHz的振动所激起的机械波称为声波，高于20kHz，称为超声波，超声波的频率范围在2×104Hz-5×108Hz之间。
超声波的传播速度，就是声波的传播速度。
超声波具有波长短，易于定向发射等优点，在超声波段进行声速测量比较方便。
超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。
因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。
例如，测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。
可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度，它是非电量电测方法的一个例子。
一、实验目的1．了解超声波的产生、发射和接收方法；2．用干涉法和相位法测量介质中的声速；3．复习用逐差法进行数据处理，复习示波器的使用，熟悉振动合成。
二、实验原理频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，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，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～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。
υ,其中υ为波速, λ为波长,f为频率。
根据声波各参量之间的关系可知f⋅=λ图1共振法测量声速实验装置在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f求声速。
声波的频率f可以直接从低频信号发生器(信号源)上读出,而声波的波长λ则常用相位比较法(行波法)和共振干涉法(驻波法)来测量。
图2 相位比较法测量声速实验装置1.共振干涉(驻波)法测声速由声源S1发出的声波（频率为f ），经介质（空气）传播到S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。
如果接收面（S2）与发射面（S1）严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波。
声速的测定实验讲义
( L4 L1 ) ( L5 L2 ) ( L6 L3 ) 3 3 3 ( ) 2 3
2
(L
i 1
3
i 3
Li )
32
相位法测量声波波长
仪器
信号发生器
示波器
声速测定仪
2 1 n (n 0,1,2, , , , )
相位比较法
大学物理实验
声速的测定
主讲教师：陈畅 实验地点：青岛理工大学物理实验中心505
声音的本质？ 机械振动 频率 振幅
音量
音调
▲ 频率低于20Hz的声波称为次声波； ▲ 频率在20Hz-20kHz的声波可以被人听
到，称为可闻声波； ▲ 频率在20kHz以上的声波称为超声波。
v f
空气中的声音到底长什么样子？
从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为 φ=ωt =2πf/v=2π l /λ
S1与S2之间变化一个波长λ，φ相位差变化2π ，示波器上所观察到的李萨如图随之变化一个 周期。
相位法操作演示
相位比较法
P281页 表6-12 逐差法
连接电路后，连续移动S2，读取对应的S2的位置坐标
斜率为正 的李萨茹 直线
8
S 2坐标 179mm 26 0.02mm 179.52mm
P281 表6-11 逐差法
Li
1 L1
2 L2
3 L3
4 L4
5 L5
6 L6
( L2 L1 ) ( L3 L2 ) ( L4 L3 ) ( L5 L4 ) ( L6 L5 ) ( ) 2 5
大家都只读取 左边的图对应 的S2坐标，相 邻的两次读数 之差= λ
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3
声速测定
声速测量的常用方法有两类：第一类是测量声波传播距离l 和时间间隔t ，然后根据公式
t l v /=计算声速v （时差法）
；第二类是测出频率f 和波长λ，再计算声速v 。
本实验采用第二类测量方法。
【实验原理】
由于超声波具有波长短、易于定向发射和不可闻等优点，所以在超声波段测量声速是比较方便的。
超声波的发射和接收一般是通过电磁振动和机械振动的相互转换来实现的，主要是利用压电效应和磁致伸缩效应。
本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压和电压之间的转换。
当换能器的压电晶体的固有频率与外界信号频率一致时就会产生谐振，此时压电陶瓷换能器能够较好地进行声能与电能的相互转换，可以获得最大的声波压强。
所以实验时应调节信号发生器的输出频率（34.0~36.0kHz ），使其与换能器谐振（示波器上信号幅度最大），此时的频率即为压电陶瓷的谐振频率。
1. 驻波法（共振干涉法）
实验原理如图所示。
S 1、S 2为压电陶瓷换能器。
S 1装在固定端，接受器S 2可以移动。
带有功率输出的信号发生器产生的超声频率段的正弦交变电压信号接在S 1上，使S 1产生受迫振动，向周围空间定向发出一近似的平面波。
S 2为接收换能器，它接收到声波后产生与声源同频率的电振动。
当S 1和S 2的表面互相平行时，声波就在两个平面间往返，形成驻波。
当两个换能器之间的距离l 为半波长的整数倍时，出现稳定的驻波共振现象，声压波幅最大。
在接收器的反射面处是振幅的“波节”位置，同时是声压的“波腹”位置，即该处位移为零，声压最大。
连续改变l 值，声压波幅将在最大与最小之间周期性的变化。
接收器S 2上的电压与该处声压成正比，测量接收器电压随两个换能器距离的变化情况，相邻两次电压最大对应的距离变化就是半波长，由此可以得到波长λ。
再根据公式λf v =可直接算出v ，其中声波的频率f 即驱动电压的频率，可从信号发生器面板上直接读出。
2. 行波法（相位比较法）
S 1与S 2处的声波有一定的相位差，当两者距离为l 时，相位差为2l ϕπλ=，因此可以通过测量ϕ来求得声速2v lf πϕ=。
连续改变距离l 的值，测出相位差的π2变化，对应的距离变化就是一个波长。
【实验内容与步骤】
1. 驻波法 1）调节信号发生器输出信号的频率，达到与换能器谐振。
2）移动S 2，测出各振幅极大值点S 2对应的位置坐标l ，记录在自制的数据表格中。
要求至少记录12组数据，同时记录所对应的信号频率f ，以便采用逐差法处理数据。
3）测试过程中应注意保持S 2与S 1表面的平行。
2. 相位比较法
大学物理实验
4 4 1) 微调S 2方位，使其稍微倾斜于S 1（即S 2不平行S 1），得李萨如图形。
2) 改变S 2的位置，从找到第一个斜线形李萨如图形开始测量，记录S 2的位置坐标。
并注意：S 2的第一个位置与S 1之间的距离应不小于4～5cm 。
连续移动S 2，每次得到相同的斜线形李萨如图形时，测量对应的S 2的位置坐标，至少测量12组，记录在自制的记录表格中。
同时记录所对应的信号频率f 。
【实验注意事项及常见故障的排除】
1. 发射器和接收器不能接触。
2. 数据测量结束时，应立刻读出温度的示数。
【实验数据处理及分析】
1． 应用逐差法分别对两种方法得到的数据进行处理，求得声速v 。
2． 大气中声速与温度、湿度及大气压强有密切关系。
在t ＝0℃的干空气中，声速为0m/s v =331.45。
根据声学理论，一般条件下的校准声速
为v v '=，式中273.15T t =+为室温，单位为K 。
比较v 与v '，计算相对误差||100%v v E v '-=
⨯'。
3． 计算声速v 的相对误差，并分析误差产生的原因。
【实验拓展】 1．测水中或海水中的声速 s
m v 1500=左右，需作何调整?声速与海水温度、盐度和静压力的关系为
Pa 1058.1)35S )(01T .034.1(00029T .0055T .06T .42.1449632-⨯+--++-+=海水v
T ——温度（℃），S ——盐度（000），Pa ——海水静压力（2m N ） 2．其它液体和气
体中的声速的测量。
３．驻波法与行波法进行比较，哪个精度高？ ４．压电陶瓷换能器的其它应用？ ５．距离增加时，声压衰减的原因？ ６．声压幅度的衰减是否影响波长的测定？ 7.影响声速的因素？
【思考题】
1. 本实验要求信号源与换能器固有频率一致，在谐振情况下进行测量，为什么？
2. 行波法中，为什么选用斜线形李萨如图形作为观测点？
3. 在驻波法测声速时，要求实验装置中S 1和S 2严格平行，这是为什么？在相位比较法中是否仍然要求S 1和S 2的端面严格平行？请说明。
4. 如何用实验的方法确定谐振频率？。