声速的测定
声速的测定
实验3-3声速的测定【引言】声波是在弹性媒质中传播的一种机械波、纵波。
频率小于20 Hz 的声波为次声波，频率在20 Hz ～20 kHz 的为可闻声波，大于20 kHz 为超声波。
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。
通过媒质中声速的测量， 可以了解被测媒质的特性或状态变化，因而声速测量有非常广泛的应用，如无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量等。
本实验是利用压电换能器技术来测量超声波在空气中的速度。
【实验目的】1. 了解超声波产生和接受的原理，加深对相位概念的理解；2. 学会测量空气中声速的方法；3. 了解声波在空气中传播速度与气体状态参量的关系；4. 学会用逐差法处理实验数据。
【实验仪器】信号发生器 示波器 声速测量仪【实验原理】机械波的产生有两个条件:首先要有作机械振动的物体（波源），其次要有能够传播这种机械振动的介质，只有通过介质质点的相互作用，才能够使机械振动由近及远地在介质中向外传播。
发声器是波源，空气是传播声波的介质。
故声波是一种在弹性介质中传播的机械纵波。
声速是声波在介质中的传播速度。
如果声波在时间t 内传播的距离为s ，则声速为t s v =由于声波在时间T （一个周期）内传播的距离为λ（一个波长），则v λ=式中的周期fT 1=，f 为频率。
则上式可写为f v λ=可见，只要测出频率和波长，便可求出声速v 。
其中声波频率可通过测量声源的振动频率得出。
剩下的任务就是测声波的波长，也就是本实验的主要任务。
1. 相位比较法：如图3-3-1所示，由于声波的波源（S 1）发出的具有固定频率f 的声波在空间形成一个声场，声场中任一点的振动相位与声源的振动相位之图3-3-1 相位比较法 差ϕ∆为：（3-3-1）若在距离声源1L 处的某点振动与声源的振动相反，即1ϕ∆为π的奇数倍：πϕ)12(1+=∆k ,......)2,1,0(=k (3-3-2)若在距离声源2L 处的某点振动与声源的振动相同，即2ϕ∆为π的奇数倍：πϕk 22=∆ ,......)2,1,0(=k （3-3-3）相邻的同相点与反相点之间的相位差为：πϕϕϕ=∆-∆=∆12 相邻的同相点与反相点之间的距离为：212λ=-=∆L L L将接收器（S 2）由声源开始慢慢移开，随着距离为,......2,23,2λλλλ，可探测到一系列与声源反相或同相的点，由此可求出波长λ。
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。
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。
简述测定声速的步骤
简述测定声速的步骤
测定声速是一种常见的物理实验，可用于研究声波在不同介质中的传播特性。
测定声速的步骤如下：
1. 实验准备：首先，需要准备一个声音源，如扬声器或发声器。
然后，选择一个测量声音传播距离的装置，如直尺或测距仪。
最后，选择一个计时设备，如秒表或计算机程序。
2. 设置实验装置：将声音源放置在一个开放的区域中，远离任何会产生噪音的物体。
确保声音源与测量装置之间没有任何障碍物。
3. 测量传播距离：将测量装置放置在声音源的近旁，然后测量声音传播到测量装置的距离。
确保准确测量声音传播距离的方法，以获得准确的结果。
4. 发出声音：打开声音源，使其发出声音。
确保声音源产生的声音稳定且具有一定的频率。
此时，声音波将从声音源传播到测量装置。
5. 计时：开始计时器，并在声音波到达测量装置时停止计时。
记录计时器的时间。
重复这个步骤多次，以获得更准确的结果。
6. 计算声速：根据已知的传播距离和测得的时间，计算声音的传播
速度。
声速（v）可以通过公式 v = d/t 来计算，其中d是传播距离，t是声音传播所用的时间。
拓展：在实际测量中，还需要考虑一些误差因素，如温度、湿度、空气压力等。
这些因素会对声波的传播速度产生影响。
因此，在进行测定声速的实验时，需要确保环境条件的稳定，并进行适当的校正和修正，以提高测量结果的准确性。
此外，声速的测量也可以应用于其他领域，如地震学、材料科学等，以研究不同介质中声波的传播特性。
声速测定实验报告总结
一、实验目的1. 通过实验了解声速测定的原理和方法。
2. 掌握使用不同方法测量声速的步骤和技巧。
3. 分析实验结果，验证声速与介质参数的关系。
二、实验原理声速是指声波在介质中传播的速度，其大小与介质的性质有关。
在固体、液体和气体中，声速的传播速度不同。
声速的测定方法主要有共振干涉法、相位比较法、时差法等。
三、实验器材1. 声波发生器2. 声波接收器3. 低频信号发生器4. 示波器5. 量筒6. 温度计7. 计时器四、实验步骤1. 共振干涉法（1）将声波发生器与声波接收器固定在同一高度，并确保两者间距适中。
（2）打开低频信号发生器，调整输出频率，使声波发生器产生稳定的声波。
（3）观察示波器，调整声波接收器的位置，使示波器显示的波形出现明显的干涉条纹。
（4）记录此时声波接收器与声波发生器之间的距离，即为声波的波长。
（5）根据声波的频率和波长，计算声速。
2. 相位比较法（1）将声波发生器与声波接收器固定在同一高度，并确保两者间距适中。
（2）打开低频信号发生器，调整输出频率，使声波发生器产生稳定的声波。
（3）观察示波器，调整声波接收器的位置，使示波器显示的波形相位差为π/2。
（4）记录此时声波接收器与声波发生器之间的距离，即为声波的波长。
（5）根据声波的频率和波长，计算声速。
3. 时差法（1）将声波发生器与声波接收器固定在同一高度，并确保两者间距适中。
（2）打开低频信号发生器，调整输出频率，使声波发生器产生稳定的声波。
（3）记录声波发生器发出声波的时刻，并观察声波接收器接收声波的时刻。
（4）根据声波传播的时间，计算声速。
五、实验结果与分析1. 实验数据（1）共振干涉法：声波频率为f1，波长为λ1，声速为v1。
（2）相位比较法：声波频率为f2，波长为λ2，声速为v2。
（3）时差法：声波频率为f3，声波传播时间为t3，声速为v3。
2. 实验结果分析（1）共振干涉法与相位比较法得到的声速值较为接近，说明这两种方法均能较好地测量声速。
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。
声速的测定方法有几种类型
声速的测定方法有几种类型
声速的测定方法有三种类型：
1. 声源与接收器之间的时间差法：通过测量声波从声源到达接收器所需的时间来确定声速。
常用的方法包括测量声音在空气中传播的时间差、测量声音在水中传播的时间差等。
2. 驻波法：通过测量声波在管道、共鸣腔或其他特定空间中形成的驻波的频率和波长，再结合空气温度等参数，计算声速。
这种方法可以用于测量气体和液体中的声速。
3. 多普勒效应法：通过测量声波在运动介质中传播时的频率变化来确定声速。
当声源和接收器相对运动时，传播的声波频率会产生变化，根据这个频率变化可以计算声速。
这种方法常用于测量空气中的声速，例如测量飞机的速度。
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/
t
L
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）。
图 8-3 接受器表面声压随距离的变化
，由于散射和其他损耗，各极大值幅值随距离增大图中各极大值之间的距离均为2/
而逐渐减小．我们只要测出各极大值对应的接收器S2的位置，就可测出波长，由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式（1）求得声速。
(1) 测量装置的连接
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，这时脉冲波强度选择按钮不起作用。
如图8-1(a)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CH2(Y2)。
(2) 测定压电陶瓷换能器的测试频率工作点
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），S2才会有一定幅度的电信号输出，才能有较好的实验效果。
换能器工作状态的调节方法如下：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，再调整信号频率（在25～45kHz之间），观察频率调整时CH2（Y2）通道的电压幅度变化。
合适选择示波器的扫描时基t/div和通道增益，并进行调节，使示波器显示稳定的接收波形。
在某一频率点处（34～40kHz之间），电压幅度明显增大，再适当调节示波器通道增益，仔细地细调频率，使该电压幅度为极大值，此频率即是压电换能器相匹配的一个谐振工作点，记录频率F N。
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。
在一定的条件下，不同频率的声波在介质中的传播速度是相等的。
利用换能器的不同谐振频率的谐振点，可以在用一个谐振频率测量完声速后，再用另外一个谐振频率来测量声速，就可以验证以上结论。
(3) 测量步骤
将测试方法设置到连续波方式，选择合适的发射强度。
完成前述步骤后，选好谐振频率。
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L i-1，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L i。
即可求得声波波长：λi=2│L i -L i-1│。
多次测定，用逐差法处理数据。
2．相位比较法（行波法）测声速
波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播．沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍．利用这个原理，可以精确地测量波长．实验装置如图8-2所示，沿波的传播方向移动接收器S2总可以找到一点，使接收到的信号与发射器的位相相同；继续移动接收器S2，接收到的信号再次与发射器的位相相同时，移过的距离等于声波的波长。
同样也可以利用李萨如图形来判断相位差．实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号，它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信号间的位相差有关，当两个信号间的位相差为0 或π时，椭圆变成倾斜的直线。
相位法/李萨如图法测量波长的步骤：
将测试方法设置到连续波方式，选择合适的发射强度。
完成前述(1)、(2)步骤后，将示波器打到“X-Y”方式，选择合适的示波器通道增益，示波器显示李萨如图形。
转动鼓轮，移动S2，使李萨如图显示的椭圆变为一定角度的一条斜线，记录下此时的距离L i-1，距离由数显尺或机械刻度尺上读出。
再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，这时接收波的相位变化2π，记录下此时的距离L i。
即可求得声波波长：λi=│L i -L i-1│。
3．时差法测声速（选做）
用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器．由信号源提供一个脉冲信号经S1发出一个脉冲波，经过一段距离的传播后，该脉冲信号被S2接受，再将该信号返回信号源，经信号源内部线路分析、比较处理后输出脉冲信号在S1、S2 之间的传播时间t，传播距离L 可以从游标卡尺上读出，采用公式（2）即可计算出声速。
图 8-4 时差法测量声速接线图
使用空气为介质测试声速时，按图8-4所示进行接线，这时示波器的Y1、Y2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S2移动到离开S1一定距离（≥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S2，记录多次测量的距离值和显示的时间值L i、t i。
则声速C i=（L i-L i-1）/（t i-t i-1）。
注意1：在距离≤50mm时,在一定的位置上，示波器上看到的波形可能会产生“拖尾”，这时显示的时间值很小。
这是由于距离较近时，声波的强度较大，反射波引起的共振在下一个测量周期到来时未能完全衰减而产生的。
调小接收增益,可去掉“拖尾”,在较近的距离范围内也能得到稳定的声速值。
注意2：由于空气中的超声波衰减较大，在较长距离内测量时，接收波会有明显的衰减，这可能会带来计时器读数有跳字，这时应微调（距离增大时，顺时针调节；距离减小时，逆时针调节）接收增益，使计时器读数在移动S2时连续准确变化。
可以将接收换能器先调到远离发射换能器的一端，并将接收增益调至最大，这时计时器有相应的读数。
由远到近调节接收换能器，这时计时器读数将变小；随着距离的变近，接收波的幅度逐渐变大，在某一位置，计时器读数如果有跳字，就逆时针方向微调接收增益旋钮，使计时器的计时读数连续准确变化，就可准确测得计时值。
当使用液体为介质测试声速时，按图8-4所示进行接线。
将测试架向上小心提起，就可对测试槽中注入液体，以把换能器完全浸没为准，注意液面不要过高，以免溢出。
选择合适的脉冲波强度，即可进行测试，步骤相同。
使用时应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件被腐蚀。
使用完毕后，用干
燥清洁的抹布将测试架及换能器清洁干净。
【数据处理】
1． 用逐差法处理数据求出波长λ。
2． 计算声速及不确定度。
【阅读材料】
声速与其它物理量的关系
1. 声波在空气中的传播速度可表示为
M RT
v γ= (4)
式中γ是空气定压比热容和定容比热容之比(V p
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。
从式(4)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℃(15.2730=T K)时的声速
s m M RT v /45.33100==
γ
在t ℃时的声速可以表示为 15
.27310t v v t += (5) 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
f v ⋅=λ
所以只要知道频率和波长就可以求出波速。