6声速测量
声速测量实验原理
声速测量实验原理
声速测量实验是一种用于测量声波在介质中传播速度的实验。
声速是指声波在介质中传播的速度，它取决于介质的密度和弹性模量。
声速测量实验通常用于研究固体、液体和气体的声学性质，以及用于检测材料的质量和弹性特性。
声速测量实验的原理是利用声波在介质中的传播速度与介质的密度和弹性模量有关的事实。
在实验中，声波从一个声源（例如扬声器）发出，经过介质传播，最终被一个接收器（例如麦克风）接收。
通过测量声波从声源到接收器的时间和两者之间的距离，可以计算出声波在介质中的传播速度。
在实验中，通常使用超声波或者声波来测量声速。
超声波是指频率高于20 kHz 的声波，它们的波长比较短，能够穿透一些材料，因此在医学、材料科学等领域得到广泛应用。
声波则是指频率低于20 kHz的声波，它们的波长比较长，适用于测量空气、水等介质中的声速。
在声速测量实验中，需要注意的是，介质的温度、压力、湿度等因素都会影响声速的测量结果。
因此，在实验中需要对这些因素进行控制和校正，以保证测量结果的准确性。
总之，声速测量实验是一种重要的实验方法，它可以用于研究介质的声学性质，以及用于检测材料的质量和弹性特性。
声速的测量实验方法与结果分析
声速的测量实验方法与结果分析声速是指声波在单位时间内传播的距离，它是声波传播速度的重要指标。
准确地测量声速对于物理实验和工程应用来说具有重要意义。
本文将介绍声速的测量实验方法，并对实验结果进行分析。
一、实验方法声速的测量实验可以采用多种方法，本文主要介绍了两种常用的方法：直接测量法和间接测量法。
1. 直接测量法直接测量法是通过测量声波从一个点传播到另一个点所需的时间，并计算出声速。
其中，常用的实验装置有声速仪、示波器、计时器等。
实验步骤如下：（1）在实验室中选择合适的测距点，并将两点之间的距离测量出来。
（2）在起点处发出一个短脉冲声波，并记录下发出声波的时间。
（3）在终点处接收到声波后，记录下接收到声波的时间。
（4）根据记录的时间数据和测距点之间的距离，计算出声速。
2. 间接测量法间接测量法是通过测量其他与声速有关的参数，推导得出声速的方法。
常用的方法有共振法和频率法。
（1）共振法利用管道或空气柱中的共振现象来测量声速。
实验步骤如下：a. 在管道中通过一个声源发出一定频率的声波。
b. 调整频率，使得管道内产生共振现象。
c. 根据共振频率和管道长度计算声速。
（2）频率法利用声波在不同介质中传播的频率关系来推导声速。
实验步骤如下：a. 在一个介质中发出一定频率的声波，记录下波长和频率。
b. 更换介质，再次记录波长和频率。
c. 利用频率和波长的关系，计算出声速。
二、结果分析进行声速测量实验后，我们需要对实验结果进行分析和讨论。
一般情况下，实验结果会与理论值存在一定的误差。
误差分析：声速的测量误差主要来自于实验仪器的精度、实验环境的影响以及实验操作中的人为误差等。
在实验中，我们可以通过多次测量并取平均值的方法来减小误差。
结果验证：进行声速测量实验后，我们可以将实验结果与已知的标准值进行比较，以验证实验的准确性。
如果实验结果与标准值相差较大，我们需要重新检查实验操作或者修改实验方案。
应用与意义：声速作为声波传播速度的重要指标，广泛应用于声学、物理学以及工程领域。
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。
声速测量---接线图和操作步骤
实验6 声速测量四．实验步骤1.驻波法测声速（1）了解声速测试仪的基本结构，调节示波器面板获得扫描线。
（2）按图示1正确连线，调节两个换能器的间距3cm左右，信号源的频率取20kHz，电压幅度取10V。
（3）将示波器的水平扫描速率与通道2垂直偏转因数旋钮分别调至适当档位，缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹位置（示波器显示波形幅值最大）。
（4）调节信号源的频率旋钮，同时观察示波器显示波形幅值变化情况，幅值最大时所对应的频率即为谐振频率f，将f数值记录于表1。
（5）转动换能器平移鼓轮至两换能器端面距离约5厘米左右，确定所选第一个波腹的位置读数l1。
（6）缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹位置（示波器显示波形幅值最大）并记录相应的数显标尺读数于表1。
（7）重复步骤7连续记录12个波腹的位置读数并记录于表1。
（8）实时记录环境温度。
2.相位法测声速（1）保持驻波法连线不变，另用一根信号电缆线连接发射器S1的发射波形接口与示波器通道1输入端口，如图5所示。
（2）示波器置（按）X-Y方式，转动接收换能器平移鼓轮观察不同相位差时的李萨如图形（正斜线、椭圆、圆、……、正斜线、……）。
当两换能器端面距离约3厘米时停止转动。
（3）沿测量方向缓慢转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一正斜线（/）时停止转动换能器读取读数标尺和鼓轮读数l1，连续测量12个正斜线（/）位置的读数并记录于表2。
注意事项：（1）示波器辉度调节应适度，不可调至最大！（2）两换能器发射端面不可接触！（l﹥3cm）（3）转动换能器平移鼓轮不可过快！注意避免回程差！（4）信号发生器只接A输出端，检查信号发生器的荧屏是否显示A路正弦波，A路幅度选10V，使接收信号适当大，可避免连线的干扰信号。
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。
声速的测量 (6)
实验题目：声速的测量实验目的：了解超声波的产生，发射和接收方法，用干涉法和相位法测量声速。
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：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=λπx ft A y 2cos 1⎪⎭⎫ ⎝⎛+=λπx ft Acod y 22叠加后合成波为：y = ( 2Acos2πX /λ ) cos2π ftcos2πX /λ = ±1 的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：X =±n λ/2 ( n =0,1,2,3……)cos2πX /λ = 0 的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：X = ±(2n+1)λ/4 ( n =0,1,2,3……)因此只要测得相邻两波腹（或波节）的位置Xn 、Xn-1即可得波长。
相位比较法测波长从换能器S 1发出的超声波到达接收器S 2，所以在同一时刻S 1与S 2处的波有一相位差：ϕ = 2πx/λ其中λ是波长，x 为S 1和S 2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。
实验仪器：低频信号发生器，示波器，超声声速测定仪，频率计等。
实验内容：1. 调整仪器使系统处于最佳工作状态（1） 将两端面调至严格平行；（2） 调整低频信号发生器输出谐振频率ν0 2. 驻波法（共振干涉法）测波长和声速在1S 、2S 之间选择示波器上的讯号幅度最大处为起点，记下此时的频率（正是谐振频率）为f=37526Hz 。
缓缓移动2S ，依次记下每次讯号幅度最大时2S 的位置（波腹的位置）1x 、2x ，……，12x ，共12个值（1） 用逐差法处理数据并计算不确定度；（2） 记下实验室室温，由式（3）算出v t ，与测量值比较并进行讨论。
声速测定实验
声速测定实验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，声衰减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探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。
在自由空间同一媒质中，声速一般与频率无关，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。
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和技术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原理1.压电陶瓷换能器压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上会产生一定的电场E，它们满足线性关系：E=g·F反之，当在压电材料的极化方向上加电压E时，材料的伸缩形变S与电压E也呈线性关系：S=a·E系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。
本实验采用压电陶瓷超声换能器，将实验仪输出的正弦振荡电信号转换成超声振动。
压电陶瓷片是换能器的工作物质，它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡，锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。
在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属，组成的夹心型振子，就构成了换能器。
由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部金属作同样纵向长度伸缩，这样所发射的声波，方向性强，平面性好。
每一只换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频率上，才能有效的发射(或接收)。
本实验中使用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，二换能器的表面互相平行，且谐振频率匹配。
2.声速的测量方法声速的测试方法可以分为两类。
第一类方法是直接根据速度关系式：v=S/t测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速，该法称为“时差法”，这是工程应用中常用的方法。
第二类方法是利用波长频率关系式：v=f·λ测量出频率f和波长λ来计算出声速，测量波长时又可用“共振干涉法”或“相位比较法”，本实验可用上述三种方法测量气体、液体以及固体中的声速。
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).。
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实验6 声速的测量
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特性的一个基本物理量。
超声波（频率超过20k Hz 的声波）由于波长短，易于定向发射，在超声波段进行声速测量比较方便。
实际应用中超声波传播速度对于超声波测距、定位、测液体流速、比重、溶液的浓度、测量材料弹性模量、测量气体温度瞬间变化等都有重要意义。
【实验目的】
1．掌握用不同方法测定声速的原理和技术。
2．了解压电陶瓷换能器的结构和工作原理。
3．进一步熟悉示波器和信号源的使用方法。
4. 加深对纵波波动和驻波特性的理解。
【实验原理】
由波动理论得知，声波的传播速度υ与声波频率f 和波长λ之间的关系为λυf =。
所以只要测出声波的频率和波长，就可以求出声速。
其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出，波长则可用共振法和相位比较法进行测量。
1．压电陶瓷换能器
实验采用压电陶瓷换能器来实现声压与电压之间的转换。
它主要由压电陶瓷环片、轻金属铅（做成喇叭形状，增加辐射面积）和重金属（如铁）组成，如图2-18所示。
压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。
超声波的产生是利用压电陶瓷的逆压电效应，在交变电压作用下，压电陶瓷纵向长度
周期性地伸、缩，产生机械振动而在空气中激发
出超声波。
超声波的接收是利用压电陶瓷的正压
电效应使声压变化转变为电压的变化。
压电陶瓷
换能器在声电转化过程中信号频率保持不变。
压电换能器系统有其固有的谐振频率0f ，当
输入电信号的频率等于谐振频率时，它的振幅最大，
作为波源其辐射功率就最大；当外加强迫力以谐振频率迫使压电换能器产生机械谐振时，它作为接收器转换的电信号最强，即灵敏度最高。
本实验中，压电换能器的谐振频率在35kHz ～39kHz 范围内，相应的超声波波长约为1cm 。
由于波长短，而发射器端面直径比波长大得多，因而定向发射性能好，离发射器端面稍远处的声波可以近似认为是平面波。
2. 测量声速的实验方法 声波的传播速度v 可以由声波频率f 和波长λ求出
λυf =
其中声波频率可由信号发生器的显示屏读出，实验中的主要任务就是测声波波长。
（1）共振干涉法（驻波法）测量波长λ
图2-19 共振干涉法（相位比较法）测量声速实验装置
按照波动理论，发射器发出的平面声波经介质到接收器，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，于是平面声波在两端面间来回反射并叠加。
如图2-19所示，发射换能器S1发出一平面波超声波，接收换能器S2把接收到的超声波的声压转换成交变的正弦电压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。
这样，由S1发出的超声波和由S2反射的超声波在S1和S2之间形成驻波，产生定域干涉。
如果S1和S2之间的距离L 恰好等于半波长的整数倍，即
k = 0，1，2，3 ……)
信号源的激励频率等于驻波系统的固有频率（本实验中压电陶瓷的固有频率）时，会产生驻波共振现象，波腹处的振幅达到最大值。
声波是一种纵波。
由纵波的性质可以证明，驻波波节处的声压最大。
当发生共振时，接收端面处为一波节，接收到的声压最大，转换成的电信号也最强。
移动接收器到某个共振位置时，如果示波器上出现了最强的信号，继续移动接收器，再次出现最强的信号时，则两次共振位置之间的距离S2的位移为
所以当S1和S2之间的距离L 连续改变时，示波器上的信号幅度每一次周期性变化，相当于S1和S2之间的距离改变了λ/2。
（2）相位比较法测量波长λ
波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。
如果发射换能器S1和接收换能器S2之间的距离为L ，当S1发出的平面超声波通过媒质到达接收器S2，则S2的接收端面与S1的发射端面之间的相位差为
若λn L =，则πϕn 2=∆，(n = 0，1，2，3 ……),表明此时S2与S1之间相位差为π的偶数倍，李萨如图形形成斜率为正的一条直线；
若2/)12(λ+=n L ，则πϕ)12(+=∆n ，表明此时S2与S1之间相位差为π的奇数倍，李萨如图形形成斜率为负的一条直线；
若L 为其它值，李萨如图形为椭圆。
所以当S2缓缓远离S1，即S2和S1之间的距离L连续改变时，相位差从0～π周期性变化，李萨如图形从斜率为正的直线变为椭圆，再变到斜率为负的直线，如图2-20所
【实验仪器】
声速测量组合仪，SV3专用信号源，DF4321双踪示波器
【实验内容与步骤】
1.声速测试仪系统的连接与调试
接通电源，信号源自动工作在连续波方式，选择的介质为空气的初始状态，预热10分钟。
声速测试仪和声速测试仪信号源及双踪示波器之间的连接如图2-19所示。
（1）测试架上的换能器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端换能器接口(S1)，用于输出相应频率的功率信号，接至测试架左边的发射换能器(S1)；仪器面板上的接收端的换能器接口(S2)，连接测试架右边的接收换能器(S2)。
（2）示波器与声速测试仪信号源之间的连接
信号源面板上的发射端的“发射波形”(Y1)，接至双踪示波器的CH1(X)，用于观察发射波形；信号源面板上的接收端的“接收波形”(Y2)，接至双踪示波器的CH2(Y)，用于观察接收波形。
（3) 超声换能器工作状态的调节
各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出电压(100mV～500mV之间)，在35kHz～39kHz范围调节信号频率，观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配的频率点，记录频率f，改变S1和S2之间的距离，适当选择位置(即：至示波器屏上呈现出最大电压波形幅度时的位置)，再微调信号频率，如此重复调整，再次测定工作频率，取平均值,记录谐振频率f。
2.共振干涉法（驻波法）测空气中声速
（1）示波器的时基因数（Time/div）与Y轴电压偏转因数（V/div）选取合适，移动
S2接近S1处约5cm ，再缓缓移动S2远离S1，当示波器上出现幅度最大信号时，记下位置1x 。
（2）由近而远逐渐改变接收器S2的位置，可观察到显示正弦波幅度发生周期性的变化, 逐个记下幅度最大的共振位置i x （i =1，2，…，12）共12个点，测量数据记录在表2-9中。
3．相位比较法测空气声速
（1）在共振干涉法测声速实验的基础上, 换能器系统到达谐振状态下，示波器的时基因数（Time/div ）旋钮置X-Y 方式，屏上一般出现椭圆的李萨如图形。
（2）缓慢远移接收器S2，每当李萨如图形由椭圆变为直线时(包括正、负斜率两种情况)，参考图2-20，逐一记录接收器S2位置i x （i =1，2，…，12），测量数据记录在自己设计的表格中（参考表2-9）。
【数据与结果】
空气中声速理论值计算公式：
s υ=15
.27315.2730t +υ，其中0υ=331.45s m /, t 为介质（空气）温度。
用逐差法处理数据，计算空气中声速平均值与不确定度。
并与空气中声速理论值进行比较，求测量相对误差。
(已知∆B =0.02mm )
1. 共振干涉法测空气声速
表2-9共振干涉法测声速记录表 (f = Hz ，t = ℃)
2.相位比较法测空气声速（参考表2-9）
【思考题】
1.声速测量中的干涉共振法、位相比较法有何异同？
2.产生驻波的条件是什么？如果发射面S1和接收面S2不平行，结果会怎样？
3.相位比较法和驻波共振法中作一个周期变化S2移动距离是否相同？
4.相位比较法为什么选直线作为测量基准？斜率异号的相邻直线相位改变了多少？
5.超声波信号能否直接用示波器观测，怎样实现？
6.相位法测声速当示波器显示直线时的位置是否对应驻波场中能量的极大或极小？。