空气中声速的测定
第四实验__用相位法测声速知识讲解
第四实验__用相位法测声速实验四用相位法测声速一、实验目的1.、学习用相位法测量空气中的声速。
2.、了解空气中的声速与温度的关系。
3、提高声学、电磁学等不同类型仪器的综合使用能力。
4、了解换能器的原理及工作方式。
二、实验仪器综合声速测定仪、综合声速测定仪信号源、双综示波器。
三、实验原理测量声速一般的方法是在给定声音信号的频率f情况下，测量声信号的波长λ，由公式v fλ=，计算出声速v。
相位法测量声速的原理。
由信号源产生的一正弦波信号，一方面由“示波器”端钮将信号送入示波器的“CH1（X轴）”，另一方面由“换能器”端钮将信号送入综合测定仪的“S1”，再传送到“S2”，然后送入示波器的“CH2(Y轴)”。
在示波器上将显示出两个频率相等、振动方向相互垂直、位相差恒定的利萨如图形。
由于两信号到达时间不同（或存在有波程差）而产生相位差。
2Lϕπλ=相位差不同，利萨如图形也不同。
如1sin()X A t ωϕ=+2sin()Y A t ωϕ=+两者相位相同或相位差为2π的整数倍，合成为一条直线。
如果两者相位差为2π的奇数倍，即1sin()2X A t πωϕ=++ 2sin()Y A t ωϕ=+ 合成后的利萨如图形为椭圆。
可见利萨如图形随相位差的变化而改变。
当连续移S2，以增大S1与S2之间的距离时L ，利萨如图从直线到椭圆再到直线变化，如图2所示。
当L 改变一个波长时，两信号的相位差改变2π，图形就重复变化。
这样就可以测量出波长的长度。
四、实验步骤1、按图1接线，将换能器间距离调整到约50mm 。
信号源输出频率为0f ，大约为36000Z H 。
2、打开示波器电源，预热5分钟，待出现一条绿色的水平线。
将开关置于“CH1”，显示X 方向的正弦波形，然后将开关置于”CH2”,显示Y 方向的波形。
应使两者的幅度大致相等。
幅度不应过大。
3、将示波器的旋钮旋到X Y ↔位置，示波器出现“椭圆”图形。
将图形调至中间。
声速的测定22页PPT
四、仪器介绍 示波器 声速测定仪 信号发生器
五、实验内容
1、共振干涉法
y t
2
2
2
L ---------（2）
2 接收端只有在振动的波节点处，才可形成
稳定的驻波，此时接收端转化成的电信号
最强。
2．相位比较法
图1 ( a 发)射2 波和1 接0 受波( b 在)示2 波1 器 上2 的合( c 振)动2 轨1 迹 示意图
次数k
位置Lk（cm）
LLk5Lk (cm)
1
8.062
2.362
2
8.544
3
9.004
2.352
4
9.482
5
9.952
2.380
6
10.424
7
10.896
2.368
8
11.384
9
11.850
2.360
10
12.312
平均值（cm）
2.364
v 0 3 3 1 .4 5 1 2 7 3 t.1 5 3 3 1 .4 5 1 2 7 2 3 6 .1 5 3 4 6 .9 m /s
相邻的同相点与反相点之间的相位差为 2 1
相邻的同相点与反相点之间的距离为
LL2Байду номын сангаасL1 2
六、实验步骤
1、准备工作
压电陶瓷换能器
S2
S1
示波器
CH2
声速测定仪
A
信号发生器 B
图2 共振干涉法连线示意图
1、 S1和S2的两个端面尽量调平行； 2、信号发生器初始设置频率为37kHz； 3、在35~38kHz范围内，旋转微调旋钮，以0.01KHz的步 进值，搜索谐振频率，并保持在稳定的谐振状态。
空气中声速的测量实验报告
《大学物理实验》
实
验
报
告
实验名称：空气中声速的测量
专业班级：组别：
姓名：学号：
合作者：日期：
然要求S1和S2端面严格平行？说明理由。
答：因为只有当S1和S2表面保持互相平行且正对时，S1和S2间才能形成驻波，才会出现波腹和波节，S2表面才会出现声压极大值，屏幕上才会出现正弦波振幅变化，由此可测超声波波长。
在相位比较法中不要求S1和S2端面严格平行。
因为相位比较法是通过李萨如图形来观察相位的变化，图形的形成是两个相互垂直的振动的叠加。
不需要形成驻波，故不要求S1和S2端面严格平行。
声速的测定(用共鸣管
声速的测定(用共鸣管
声速的测定可以用共鸣管来实现。
共鸣管是一种管形谐振器，当管内空气某种频率的声波的波长与管长相等时，会产生共振现象。
这时，共鸣管内空气振动幅度增大，声压级也随之增强。
因此，通过测量这种共鸣频率，就可以计算出空气中声速的大小。
步骤如下：
1. 将共鸣管按照要求调整为需要的长度。
一般情况下，会先用塞子塞住一个端口，用另一个口吹气，并调整管的长度，使其开始发出共振声。
2. 使用频率计测量共振频率。
共振频率即为空气中声波的频率，也就是空气中的声速。
3. 计算声速。
根据空气中声速的计算公式：v=λf，其中 v 为声速，λ 为波长，f 为频率。
根据共振管的大小可以计算出共振
频率，因此波长就可以计算出来。
将求得的波长代入公式中，便可得出声速的大小。
需要注意的是，在实验中需要排除其他因素对共振现象的影响，比如管子内的温度、管子直径、口音强度等等。
此外，在进行测量的时候，也需要保证环境的安静和稳定，以确保共振声的产生和测量的准确性。
实验二空气中声速的测量
尾部（钢） 压电陶瓷片
0 理 经极化处理后，具有压电效应，即在压电陶瓷
图 8 换能器结构示意图
2 片的两底面加上正弦交变电压，陶瓷片就会按
物 正弦规律发生纵向伸缩（厚度按正弦规律产生形变），发出超声波；同样，压电陶瓷片也可
供以使声压的变化转化为电压的变化，用来接收声信号。在压电陶瓷片的头尾两端胶粘两块金
信号源产生的信号由发射端的“换能器接口”输出。发射信号的频率由“功率信号源”
仅 院 的三个按钮开关选择频率范围，再用调节旋钮的“频率粗调”和“频率细调”旋钮调节到所 学 需要的频率，其频率值由面板的左上方的显示窗口读出。发射信号的强度用调节旋钮的“发
贤 射强度”旋钮调节。“测试方法”按钮有两种选择，即“连续波”和“脉冲波”，“连续
实验二 空气中声速的测量
物体振动会产生声音，是这种振动在介质中形成了声波。声波是非常重要的一类机械波。
频率在 20Hz~20kHz 之间能引起听觉的叫可闻声波；频率低于 20Hz 的叫次声波；频率大于
用 20kHz 的叫超声波。声学的研究对建筑、医学、工业生产都是非常重要的。 超声波在介质中的传播速度与介质的特性及状态等因素有关，因而通过介质中的声速测 量，可以了解被测介质的特性或状态的变化。这在医学和工业生产中都有使用意义。例如，
图形，如李萨如图形为直线，作为测量的起始位置。S2每移动一个波长的距离就会重复出现 同样斜率的直线。
3．时差法
声波由发射源S1发射，在空气中传播，经过时间t后，到达接收头S2。如果我们能测出 这一时间，并测出S1和S2之间的距离l，就可计算出声波在空气中的传播速度v。即
速度 v = 距离 l ÷ 时间 t
学 以观察到如图 3 所示的波形。图中的就是两者之间的相位差，改变S1和S2之间的距离，可
声速的测定
声速的测定引言声速是指声波在介质中传播的速度，是介质中分子振动传递的速度。
测定声速的方法有很多种，本文将介绍几种常见的方法：直接法、回声法和干涉法。
直接法直接法是通过测量声波在空气中传播的时间来计算声速。
具体步骤如下：1.准备一个发声装置和一个接收装置，并将它们放置在一定距离的位置上。
2.发声装置发出一个特定频率的声音，接收装置接收到声音后记录接收到声音的时间。
3.根据传播的距离和时间计算出声速。
直接法的优点是操作简单，缺点是受环境因素的影响比较大。
回声法回声法是通过测量声波在空气中的来回传播时间来计算声速。
具体步骤如下：1.准备一个发声装置和一个接收装置，并将它们放置在一定距离的位置上。
2.发声装置发出一个特定频率的短脉冲声波，接收装置接收到声波后记录接收到声波的时间。
3.根据声波的来回传播时间和传播距离计算出声速。
回声法的优点是准确性较高，缺点是操作稍微复杂一些。
干涉法干涉法是通过测量声波传播的距离和声波的相位差来计算声速。
具体步骤如下：1.准备一个发声装置和两个接收装置，并将它们按照一定距离放置。
2.发声装置发出一个特定频率的声波，接收装置接收到声波后记录下接收到声波的时间和相位差。
3.根据声波传播的距离、相位差和频率计算出声速。
干涉法的优点是测量精确度较高，缺点是需要精确测量声波的相位差。
结论通过直接法、回声法和干涉法这三种方法，我们可以测定声速。
不同的方法有不同的适用范围和要求，需要根据具体实验的情况选择合适的方法。
无论选择哪种方法，准确测定声速是研究声学和工程领域的重要基础工作。
参考文献1.张三, 李四. (2000).。
驻波法
大学物理实验教案实验名称：空气中声速的测定1、实验目的（1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。
（2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。
（3）学会用逐差法处理数据。
2、实验仪器超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B、示波器ST16B。
3、实验原理3．1 实验原理声速V、频率f 和波长λ之间的关系式为V f 。
如果能用实验方法测量声波的频率f和波长λ，即可求得声速V。
常用的测量声速的方法有以下两种。
3．2 实验方法3．2．1 驻波共振法（简称驻波法）S1 发出的超声波和S 2 反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。
当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。
驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中，S1 、S 2 即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为：Ln n 123 2 （1）即当S1 和S 2 之间的距离L 等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。
在示波器上得到的信号幅度最大。
当L 不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。
移动S 2 ，可以连续地改变L 的大小。
由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即S 2 所移过的距离为：L L n 1 Ln n 1 n 2 2 2 （2）可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L 改变了 2 。
此距离 2 可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据V f ，就可求出声速。
3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法）在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。
其轨迹方程为：2 2 X Y Cos 2 1 Sin 2 2 1 2 XY A1 A2 A1 A2 （5）2 1 0 在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。
测定声速的实验方法与步骤解析
测定声速的实验方法与步骤解析声速是指声音在单位时间内在介质中传播的距离，也可以理解为声音传播的速度。
测定声速的实验方法有多种，以下将为您详细解析几种常见的实验方法和步骤。
一、空气中1. 实验仪器和材料准备：- 示波器：用于显示声波信号的频率和振幅。
- 扬声器：用于发出声波信号。
- 音叉：用于产生稳定的振动频率。
- 直尺：用于测量距离。
- 火柴棒或其他装置：用于产生声波的初始信号。
2. 实验步骤：a. 将示波器接入扬声器，并将其连接到电源。
b. 将音叉固定在相对稳定的表面上。
c. 通过击打音叉来产生声波的初始信号。
d. 用直尺测量从音叉到示波器的距离，并记录下来。
e. 在示波器上观察声波信号的振幅与频率，并记录下来。
f. 测量声波从音叉传递到示波器的时间，并计算出声速。
二、水中1. 实验仪器和材料准备：- 振动源：如音叉或声波发生器。
- 容器：用于内部存放水的容器。
- 测距工具：如直尺或测距仪。
- 示波器：用于测量声波信号的振幅和频率。
2. 实验步骤：a. 将容器填满水，以确保声波传播的介质为水。
b. 将振动源放入容器中，使其悬浮在水中。
c. 利用振动源激发出声波信号。
d. 在示波器上观察声波信号的振幅与频率，并记录下来。
e. 使用直尺或测距仪测量从振动源到示波器之间的距离，并记录下来。
f. 根据声波传播距离和时间，计算出水中的声速。
三、固体中1. 实验仪器和材料准备：- 锤子或敲击器：用于产生声波信号。
- 传感器：用于接收声波信号并将其转化为电信号。
- 示波器：用于显示声波信号的频率和振幅。
- 计时器：用于测量声波传播时间。
- 直尺：用于测量传播距离。
2. 实验步骤：a. 将传感器与示波器相连，并将其连接到电源。
b. 保持敲击器与传感器之间的恒定距离。
c. 用敲击器在固体表面上产生声波信号。
d. 在示波器上观察声波信号的振幅与频率，并记录下来。
e. 使用直尺测量声波传播的距离，并记录下来。
f. 使用计时器测量声波从敲击器传播到传感器的时间，并计算出固体中的声速。
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【实验目的】
1、掌握两种测量声速方法的原理，学会测定超声波在空气中的传播速率。
2、了解压电换能器的功能，熟悉信号源和示波器的使用。
3、加深对驻波及振动合成理论的理解。
4、测定超声波在固体中的传播速率
【实验原理】（原理概述，电学。
光学原理图，计算公式）
在波动过程中，波速v、波长λ和频率f之间存在下列关系
v=fλ
通过实验，测出波长λ和频率f，就可以求出声速v。
常用的方法有驻波法和相位比较法两种。
超声波声速测定装置主要由压电传感器和游标卡尺构成。
传感器的主要部件是用多晶体结构的压电材料（如碳酸钡）在一定温度下经特殊处理而成的压电陶瓷片。
这种陶瓷片具有压电效应，它能将交流电压信号转换成纵向长度的伸缩，靠自身成为声波波源；反过来，也可将声压变化转换成电压变化，即用它将接收到的声波信号转变为电压信号。
压电传感器有一谐振频率f
，当外加声波信号的频率等于此频率时，陶瓷片将发生机械谐振，得到最强的电压信号，此时传感器具有最高的灵敏度；反过来，当输入的电压使得传感器产生机械谐振时，作为波源将具有最强的发射功率。
实验装置中使用两个压电传感器，其一作为超声发射器，另一个作为接收器。
1.驻波法测声速
实验装置如图。
图中S
1和S
2
为压电陶瓷超声换能器，S
1
作为超声源（发射头），由信
号源输出的正弦交变电压接到S
1上，使得S
1
发出一平面超声波；S
2
作为超声波的接收
头，把接收到的声压转变成交变的正弦电压信号后输入示波器观察。
S
2
在接收超声波的
同时，还向S
1反射一部分超声波，这样由S
1
发出的超声波和由S
2
反射的超声波就在S
1
和S
2之间的区域干涉形成驻波。
驻波相邻两波峰（或波节）之间的距离为半波长。
S
2
可
以移动，其位置由游标卡尺读出。
当改变S
2到S
1
之间的距离时，在一系列特定位置上，
S
2
面接收到的声压达到极大值（或极小值），相邻两极大值（或极小值）之间的距离皆为半波长。
此时，在示波器荧光屏上所显示的波形幅值发生周期性的变化，即由一个极
大值变到极小值，再变到极大值。
而幅值每次周期性的变化，就相当于S
2到S
1
之间的
距离改变了半波长。
由于超声波的频率f可由信号源直接读出，因而声速便可求得。
若两个相邻共振状态之间，S2移动的距离为
∆L=(n+1)λ
2
−n
λ
2
=
λ
2
即λ=2△L，从而v=fλ=2f△L
实际测量中，为了减少单次测量△L带来的误差，采用多次测量求平均的方法，并用逐差法求出λ平均值
2.相位比较法测声速
实验装置如图。
从S
1发出的超声波通过媒质传到接收头S
2
，在接收头和发射头之间便
产生位相差φ，此位相差的大小与角频率ω（2πf）、传播时间t、声速v、波长λ以及S1与S2之间的距离L有下列关系：
φ=ωt=2πf L
v
=2π
L
λ
当S
1和S
2
之间的距离为L
1
=nλ，（n=1,2,3，…，位相角）φ1=n×2π；当L2=（n+1）λ，
（位相角）φ2=（n+1）×2π，故△L=L2-L1=λ时
Δφ=φ2−φ1=2π
由此可见，L每改变一个波长λ，位相差就变化2π，通过观察位相差的变化△φ，便
可测出λ。
将发射头S
1和接收头S
2
的正弦电压信号分别输入到示波器的“x轴输入”
和“y轴输入”，在荧光屏上便显示出这两个互相垂直谐振动的合成图形（即利萨如图）。
由于两谐振动的频率相同，因而利萨如图比较简单。
随着两个谐振动的位相差从0→π
变化，图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线。
为了便于判断，选择利萨如图为直线时作为测量的起点，移动S
2
，当L变化一个波长λ时，就会重复出现同样斜率的直线。
3.时差法测声波在固体中的声速
按图进行接线，这时示波器的CH1、CH2通道分别用于观察发射和接收波形。
为了避免连续波可能带来的干扰，可以将连续波频率调离换能器谐振点。
将测试方法设置到脉冲
波方式，选择合适的脉冲发射强度。
将S
2移动到离开S
1
一定距离（≥50mm），选择合
适的接收增益，使显示的时间差值读数稳定。
然后记录此时的距离值和信号源计时器显
示的时间值L
i-1、t
i-1。
移动S
2
记录多次测量的距离值和显示的时间值、t
i。
则声速v i=
（L i−L i−1）
（t i−t i−1）
⁄。
时差法测试声速的基本原理是基于
速度v=S/T，通过在已知的距离内测
声波传播的时间；从而计算出声波的
传播速度。
接收到的信号经放大，滤
波后由高精度计时电路求出声波从
发出到接收这个在介质中传播经过
的时间，从而计算出在某一介质中的
传播速度。
只因为不用目测的方法，
而由仪器本身来计测，所以其测量精
度相对于前面两种方法要高。
同样在
液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其他回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。