声速的测量
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）。
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）。
声速的测量实验总结
声速的测量实验总结
一、实验简介
声速的测量实验是一种物理实验，主要目的是通过测量声波在介质中的传播速度，了解声波的基本特性。
实验中，我们通常使用声波发生器和接收器，通过测量声波从发生器传播到接收器的时间，计算出声波在介质中的传播速度。
二、实验目的
1. 掌握声速的测量方法；
2. 了解声波在介质中的传播速度与介质性质的关系；
3. 培养实验操作能力和数据处理能力。
三、实验原理
声速的测量基于波的传播特性。
在均匀介质中，声波的传播速度与介质本身的性质有关，可以通过已知的声速公式计算：
c = √(K/ρ)
其中，c 是声速，K 是介质的弹性模量，ρ是介质的密度。
四、实验步骤与操作
1. 准备实验器材：声波发生器、接收器、计时器、已知长度的测量管、已知密度的介质（如水、空气等）；
2. 将声波发生器和接收器分别置于测量管的起点和终点，确保测量管内无空气；
3. 启动声波发生器，记录声波从起点传播到终点的时间；
4. 根据声速公式，计算出声波在介质中的传播速度；
5. 重复实验，记录多组数据，求平均值以提高测量精度。
五、实验结果分析
1. 根据实验数据，绘制出声速与介质密度的关系图；
2. 分析实验结果，比较理论值与实验值的差异；
3. 总结实验误差来源，提出改进措施。
六、实验结论
通过本实验，我们掌握了声速的测量方法，了解了声波在介质中的传播速度与介质性质的关系。
实验结果表明，声速与介质的密度和弹性模量有关，可以通过这些参数来计算出声速的理论值。
通过比较理论值与实验值，我们可以评估实验的精度和误差来源，为后续的实验提供改进方向。
声速的测量
声速的测量声波是一种频率介于20Hz~20KHz的机械振动在弹性媒质中激起而传播的机械纵波。
波长、强度、传播速度等是声波的重要参数。
测量声速的方法之一是利用声速与振动频率f和波长λ之间的关系（即v=λf）求出，也可以利用v=L/t求出，其中L为声波传播的路程，t为声波传播的时间。
超声波的频率为20KHz~500MHz之间，它具有波长短、易于定向传播等优点。
在同一媒质中，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而在超声波段进行传播速度的测量比较方便，更何况在实际应用中，对于超声波测距、定位、成像、测液体流速、测材料弹性模量、测量气体温度瞬间变化和高强度超声波通过会聚作医学手术刀使用等方面都得到广泛的应用，超声波传播速度有其重要意义。
我们通过媒质（气体、液体）中超声波传播速度测定来测量其声波的传播速度。
【一】实验目的1．了解超声振动的产生，超声波的发射、传播和接收。
2．通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能。
3．用共振干涉法、相位比较法和时差法测量声速，并加深有关共振、振动合成、波的干涉等理论知识的理解。
4．进一步掌握示波器、低频信号发生器和数字频率计的使用。
【二】实验原理1．声波与压电陶瓷换能器频率介于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。
声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，其振动状态的传播是通过媒质各点间的弹性力来实现的，因此波速决定于媒质的状态和性质（密度和弹性模量）。
液体和固体的弹性模量与密度的比值一般比气体大，因而其中的声速也较大。
由于在波动传播过程中波速V、波长λ与频率f之间存在着V＝λf的关系，若能同时测定媒质中声波传播的频率及波长，即可求得此种媒质中声波的传播速度V。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
91.501
91.570
90.905
90.531
92.391
X16-X6
X17-X7
X18-X8
X19-X9
X20-X10
92.932
92.771
92.743
92.500
91.837
λ（λ=ΔX）
9.150
9.157
9.091
9.053
9.239
9.293
9.277
9.274
9.250
9.184
由此可见，在经过△x距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差（相移）为θ= 2π△x /λ。如图5所示。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长。
4.时差法测量原理
连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：
λ的平均值
9.197
数据处理：
1）驻波共振法数据处理如下：FN= 37.612KHz
对于波长 ， ==0.05930
B类不确定度 ;
合成不确定度 =0.05931
对于频率 ，只有B类不确定度
=344.5575 m/s
V的不确定度 =12.11 m/s
结果表达式： 344.5613 12.11 m/s
12.11 m/s
2）相位比较法数据处理如下：
对于波长 ， =0.08304
B类不确定度 ;
合成不确定度 =0.08305
对于频率 ，只有B类不确定度
=344.5613 m/s
V的不确定度 =11.35m/s
结果表达式： 344.5613 11.35 m/s
11.35m/s
八、【实验结果分析与小结】
速度V=距离L/时间t
图4发射波与接收波
通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。
五、【实验内容】
1.仪器在使用之前，加电开机预热15min。在接通市电后，自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态。
2.驻波法测量声速。
2.1测量装置的连接：
图5驻波法、相位法连线图
9.382
9.208
9.187
9.196
9.194
9.195
9.188
9.193
9.195
9.204
λ的平均值
9.214
2.相位比较法
FN=37.395KHz
项目
S2坐标/mm
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X8
X9
X10
40.081
49.258
59.333
69.011
76.314
85.132
94.345
超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节发射强度旋钮，使声速测试仪信号源输出合适的电压（8～10VP-P之间），再调整信号频率（在25～45kHz），选择合适的示波器通道增益（一般0.2V～1V/div之间的位置），观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5～37.5kHz之间）电压幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，记录频率FN，改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重新调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率f。
图3 用李萨如图观察相位变化
在连续多次测量相隔半波长的S2的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。
3.相位法测量原理
由前述可知入射波ξ1与反射波ξ2叠加，形成波束ξ3
即ξ3=A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos（ωt - 2πx /λ)
即对于波束：ξ1=Acos（ωt - 2πx /λ)
波长λi=│Li-Li-1│
4.干涉法/相位法测量数据处理
已知波长λi和频率fi，（频率由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。）则声速Ci=λi×fi。
因声速还与介质温度有关，所以必要时请记下介质温度t℃。
5.时差法测量声速步骤
图6 时差法测量声速接线图
按图6所示进行接线。将测试方法设置到脉冲波方式，并选择相应的测试介质。将S1和S2之间的距离调到一定距离（≥50mm），再调节接收增益，使显示的时间差值读数稳定，此时仪器内置的计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和信号源计时器显示的时间值Li-1、ti-1。移动S2，如果计时器读数有跳字，则微调（距离增大时，顺时针调节；距离减小时，逆时针调节）接收增益，使计时器读数连续准确变化。记录下这时的距离值和显示的时间值Li、ti。则声速Ci=（Li-Li-1）/（ti-ti-1）。
如图5所示，信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出一定频率的功率信号，请接至测试架的发射换能器（S1）；信号源面板上的发射端的发射波形Y1，请接至双踪示波器的CH1（Y1），用于观察发射波形；接收换能器（S2）的输出接至示波器的CH2（Y2）
2.2测定压电陶瓷换能器的最佳工作点
只有当换能器S1的发射面和S2的接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到换能器S1、S2的谐振频率点处时，才能较好的进行声能与电能的相互转换（实际上有一个小的通频带），以得到较好的实验效果。按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率，估计一下示波器的扫描时基t/div，并进行调节，使在示波器上获得稳定波形。
物理实验报告
一、【实验名称】
超声波声速的测量
二、【实验目的】
1、了解声速的测量原理
2、学习示波器的原理与使用
3、学习用逐差法处理数据
三、【仪器用具】
1、SV-DH-3型声速测定仪段
2、双踪示波器
3、SVX-3型声速测定信号源
四、【仪器用具】
1.超声波与压电陶瓷换能器
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。
在上述假设条件下，发射波ξ1=Acos（ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射，反射波ξ2=A1cos（ωt+2πx /λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A1＜A。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加，合成波束ξ3
ξ3=ξ1+ξ2=(A1+A2）cos（ωt-2πx /λ)+A1cos（ωt+2πx /λ)
=A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos（ωt - 2πx /λ)
图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换能器。图1为纵向换能器的结构简图。
2.共振干涉法（驻波法）测量声速
假设在无限声场中，仅有一个点声源S1（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。
X5
X6
X7
X8
X9
X10
43.118
47.578
52.260
56.916
61.438
66.072
70.550
75.252
79.929
84.400
X11
X12
X13
X14
X15
X16
X17
X18
X19
X20
90.027
93.620
98.195
102.894
107.406
112.048
116.490
121.215
125.902
130.420
逐差
（10ΔX）
X11-X1
X12-X2
X13-X3
X14-X4
X15-X5
46.909
46.042
45.935
45.978
45.968
X16-X6
X17-X7
X18-X8
X19-X9
X20-X10
45.976
45.940
45.963
45.973
46.020
λ（λ/2=ΔX）
2.3测量步骤
将测试方法设置到连续波方式，合适选择相应得测试介质。完成前述2.1、2.2步骤后，观察示波器，找到接收波形的最大值。然后转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，记录下幅度为最大时的距离Li-1，距离由数显尺（数显尺原理说明见附录2）或在机械刻度上读出，再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离Li。即有：波长λi=2│Li-Li-1│，多次测定用逐差法处理数据。
103.542
113.094
122.388
X11
X12
X13
X14
X15
X16
X17
X18
X19
X20
131.582
140.828
150.238
159.542
168.705
178.064
187.116
196.285205.ຫໍສະໝຸດ 94214.225逐差
（10ΔX）
X11-X1
X12-X2
X13-X3
X14-X4
九、【附上原始数据】
由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx /λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx /λ)呈周期变化的特性。
图4所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx /λ)变化的特征。