声速测量
实验报告——声速的测量
声速测量------------------------------------------------------------------------------------------一、【实验名称】声速的测量二、【实验目的】1.了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解。
2.学会测量空气中的声速。
3.了解声波在空气中的传播速度与气体状态参量之间的关系。
4.学会用逐差法处理实验数据。
三、【实验仪器】示波器、信号发生器和声速仪四、【实验原理】由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v＝λf，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。
剩下的就是测量声速的波长，这就是本实验的主要任务。
下面介绍两种常用的实验室测量空气中声波波长的方法。
1.相位比较法实验接线如上图所示。
波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。
在声波传播方向上，所有质点的振动相位逐一落后，各点的振动相位又随时间变化。
声波波源和接收点存在着相位差，而这相位差则可以通过比较接收换能器输出的电信号与发射换能器输入的正弦交变电压信号的相位关系中得出，并可利用示波器的李萨如图形来观察。
示波器相位差φ和角频率ω、传播时间t 之间有如下关系：φ=ω·t ω=2π/T t=l/v λ=Tv代入上式得：φ=2πl/λ当l=nλ/2(n=1,2,3,……）时，可得Φ=nπ由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的位相差也正好变化一个周期（即Φ＝2π）。
实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。
当相位差改变π时，相应距离l的改变量即为半个波长。
2.驻波法如上图所示，实验时将信号发生器输出的正弦电压信号接到发射超声换能器上，超声发射换能器通过电声转换，将电压信号变为超声波，以超声波形式发射出去。
接收换能器通过声电转换，将声波信号变为电压信号后，送入示波器观察。
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。
声速测量的实验原理
声速测量的实验原理声速测量是利用声波在介质中传播的特性来测量声速的一种方法。
在声速测量实验中，常常利用回声法或直接法进行测量。
一、回声法回声法是一种间接测量声速的方法，其核心原理是利用声波在介质中传播的速度和声波在回程过程中与障碍物反射的时间来计算声速。
测量声速的步骤如下：1.实验设备的准备：一台发声装置和一台接收装置，以及一个垂直安装的金属管道。
2.发声和接收：发声装置通过金属管道产生声波，声波传播到障碍物上被反射回来，接收装置接收到反射的声波信号。
3.计算时间：通过测量声波从发声装置到接收装置的时间，即来回时间，以及知道了发声和接收的距离，可以计算出声速。
回声法的优点是测量精度高，可以测量声速的变化，但是需要特殊的实验设备，实验操作复杂。
二、直接法直接法是一种直接测量声速的方法，其核心原理是利用声波在介质中传播的时间和介质的长度来计算声速。
测量声速的步骤如下：1.实验设备的准备：一台发声装置和一台接收装置，以及一个长而细的管道。
2.发声和接收：发声装置通过管道产生声波，声波在管道中传播，接收装置接收到声波信号。
3.计算时间和长度：通过测量声波从发声装置到接收装置的时间，并知道了管道的长度，可以计算出声速。
直接法的优点是实验操作简单，不需要特殊的实验设备，但是测量精度相对较低。
声速测量实验常用的仪器有：定频发声装置、垂直管状装置、泛频接收装置、运动计时仪等。
声速测量的原理是基于声波在介质中传播的速度与介质的物理特性有关。
声速的大小与介质的密度、弹性模量和刚度有关。
在固体介质中，声速与刚度和密度呈正相关关系；在气体介质中，声速与温度呈正相关关系。
因此，声速测量实验中常常需要控制和测量介质的温度。
总之，声速测量是利用声波在介质中传播的特性来测量声速的方法，可以通过回声法或直接法进行测量。
这些方法都基于声波在介质中传播的时间和距离的关系来计算声速。
声速的测量对于物理学、地球科学、工程学等领域的研究具有重要意义。
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。
声速测量实验
声速测量实验标题：声速测量实验：从定律到实验准备、过程和应用的详细解读引言：声速是指声波在介质中传播的速度，是物体震动所产生的机械波的传播速度。
声速测量实验是物理学中的经典实验之一，通过测量声波在不同介质中的传播速度，可以帮助我们深入理解声波的特性，并在实际应用中发挥重要作用。
本文将从物理定律的角度出发，详细解读声速测量实验的准备、过程以及应用。
一、定律解读：1. 声波传播速度（v）与介质的弹性系数（E）和密度（ρ）有关，可用以下公式表示：v = √(E/ρ)其中，E是介质的弹性模量，ρ是介质的密度。
2. 定律解读：从上述公式可以看出，声速的值取决于介质的弹性和密度。
不同介质的声速不同，因此通过测量声速可以区分不同物质，并对介质的特性进行研究。
二、实验准备：1. 实验器材：- 信号发生器：用于产生声波信号，可以调节频率和振幅。
- 扬声器/振膜：将电信号转换为声波信号，使其在介质中传播。
- 接收装置：用于接收声波信号，常用的有麦克风和压电传感器。
- 计时器：用于测量声波传播的时间间隔。
2. 实验介质：- 空气：使用空气作为第一个介质，它是声波传播的常见介质之一。
- 水：采用水作为第二个介质，因为水的密度和弹性系数与空气相比较大。
三、实验过程：1. 实验步骤：（1）确认实验器材齐全，正确安装和连接。
（2）将信号发生器连接到扬声器，设置合适的频率和振幅。
（3）将扬声器放置在离接收装置一定距离的位置，使声波可以传播到接收装置。
（4）开始测量：发出声波信号并同时启动计时器，接收装置接收到声波信号后停止计时。
（5）重复上述步骤多次，取多次实验结果的平均值，以提高测量的准确性。
2. 数据处理：根据测量得到的时间间隔（Δt）和声波传播的距离（d），可以计算声速（v）：v = d/Δt四、实验应用和其他专业性角度：1. 材料科学研究：通过测量不同材料中声速的差异，可以判断材料的质量、密度和弹性等特性，有利于材料的选取和研发。
大学物理实验报告声速的测量
大学物理实验报告声速的测量大学物理实验报告：声速的测量引言：声速是声波在介质中传播的速度，是一个物质的固有属性。
在物理学中，测量声速是一项重要的实验，它不仅有助于我们了解声波的传播规律，还可以为其他领域的研究提供基础数据。
本实验旨在通过一系列测量步骤，精确计算出声速的数值。
材料与方法：实验所需材料有：声速测量装置、示波器、发声器、频率计、螺旋测微器、直尺、宽口瓶、水、计时器等。
实验步骤如下：1. 将宽口瓶中装满水，放置在平稳的桌面上。
2. 将发声器固定在宽口瓶的顶部，确保其与水面平行。
3. 将示波器与发声器相连，以便观察声波的波形。
4. 调节发声器的频率，使其发出稳定的声音。
5. 使用螺旋测微器测量宽口瓶的高度，并记录下来。
6. 在示波器上观察声波的波形，并使用频率计测量声波的频率。
7. 同时启动计时器和示波器，记录下声波传播从发声器到水面反射回来的时间间隔。
8. 重复上述步骤，进行多组实验数据的测量。
结果与讨论：根据实验数据，我们可以计算声速的数值。
首先，根据声波传播的时间间隔和宽口瓶的高度，我们可以计算出声波在水中的传播距离。
其次，根据声波的频率和传播距离，我们可以计算出声波在水中的传播时间。
最后，通过将传播距离除以传播时间，我们可以得到声速的数值。
在实验过程中，我们需要注意一些误差来源。
首先，由于声波的传播路径并非直线，而是经过水面的反射，因此需要对声波传播的路径进行修正。
其次，由于实验设备的精度限制，测量值可能存在一定的误差。
为了减小误差，我们可以进行多组数据的测量，并取平均值作为最终结果。
此外，声速的数值还受到温度和压力等环境因素的影响。
在实验中，我们可以通过控制实验环境的温度和压力，使其尽量接近标准条件，以获得更准确的结果。
结论：通过以上实验步骤和数据处理，我们成功测量出了声速的数值。
实验结果表明，声速在水中的数值为XXX m/s（具体数值根据实验数据计算得出）。
这一结果与文献中的数值相近，验证了实验的准确性和可靠性。
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实验十二 声速测量 编辑：李家望 赵斌
摘 要 本实验通过压电换能器将声波转换为电信号，从而利用示波器测量了空气中的声速。
相对不确定度为1.9%和1.3%。
关键词 压电换能器，声波，电信号，示波器，声速 实验目的
1． 利用共振干涉法和位相比较法测量超声波在空气中的传播速度。
2． 加强对驻波及振动合成等理论的理解。
实验原理
1．声波在空气中传播速度：理想气体μ
γRT v =
V P C C /=γ为比热容比，μ是气体的摩尔质量。
在室温时，声速的近似理论公式为：15
.273145.33110
0t T t v v +
≈+= （m/s ）
2．压电换能器工作原理
压电换能器是一种多晶结构的压电陶瓷材料，被极化的压电陶瓷具有压-电效应。
超声波的产生是利用压电陶瓷的逆压电效应使电压变化转变为声压变化，超声波的接收则是利用压电陶瓷的正压电效应使声压变化转变为电压变化。
3．共振干涉法（驻波法）测声速
实验装置如图一所示。
图中S 1、S 2为压电陶瓷喇叭，S 1接函数信号发生器，作为超声波源； S 2为接收器，接二踪示波器，且能在接收声波的同时反射部分声波。
这样，S 1发出的超声波和S 2反射的超声波在它们之间的区域内因同频率，同振动方向，传播方向相反相干涉而形成驻波。
移动S 2即改变L ，当S 2将经过波腹时，声波信号最强，在示波器上得到的信号振幅最大；当S 2将经过波节时，在示波器上得到的信号振幅最小（因反射声波（会衰减）振幅小于入射声波振幅，合成后波节振幅不为零）。
S 2将经过一系列波腹，波节的位置，示波器上的信号幅度会周期性变化，任意两个相邻波腹（节）的距离，通过S 2的移动的距离由游标卡尺可测得：必满足 ΔL = L n +1- L n =λ/2
又声波频率f 由函数信号发生器上读得，可得声速： v =λ f =2ΔL f 4．位相比较法（行波法）测声速
实验装置如图二所示。
将函数信号发生器的交变信号输入S 1的同时输入示波器的X 轴（CH1通道），将S 2输出的信号接入示波器的Y 轴（CH2通道），则示波器上就会出现李萨如图形。
当改变S 1和S 2之间的距离L ，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差Δφ，示波器上图形也随之不断变化。
当S 2与S 1的距离变化ΔL = L n +1- L n =λ，它们之间的相位差Δφ=2π，如图三所示。
显然，根据李萨如图形的变化情况可测得波长λ,频率f 仍由函数信号发生器上读得, 由v =λ f =ΔL f 即可求得声速。
图 一 共振干涉法测声速
实验仪器
SBZ-A 型超声声速测试仪，XJ17A 型二踪示波器，EE1641B1型函数信号发生器/计数器 实验要点
1．共振干涉法（驻波法）测声速及超声波在空气中的衰减曲线
⑴按图一接线，换能器上红插口接信号，黑插口接地；调整函数信号发生器、示波器为定量测量状态。
⑵调节信号发生器输出频率，使其与S 1上标示值（超声声速测试仪的固有频率随温度变化）大致相同，然后微调，直到示波器上幅度最大为止，此时显示的频率读数才是谐振频率。
⑶调整发射换能器S 1、S 2端面与游标卡尺的移动方向相互垂直，调整后拧紧固定S 1、S 2的螺丝，以防测量过程中S 1、S 2的松动。
由近而远改变S 2位置，在示波器上观察并记录10个振幅最大值A 0、A 1、A 2、……A 9，相应的10个位置L 0、L 1、L 2、……L 9（注意要使用游标微调）。
数据填入表一。
2．位相比较法（行波法）测声速
⑴按图二接线，按下示波器面板两“X -Y ”键，调节示波器两通道为垂直输入状态，屏幕上会观察椭圆或斜直线的李萨如图。
⑵由近而远改变S 2位置，在示波器上观察并记录10个同一斜率直线相应的10个位置L 0、L 1、L 2、……L 9（注意要使用游标微调）。
数据填入表二。
数据处理
kHz f 30.35=,C t ︒=4.13, 5.33915
.273145.331≈+
=t
v 理 (m/s)
1．共振干涉法（驻波法）测声速及超声波在空气中的衰减曲线
用逐差法计算: 898.45
5)
()()()()(0516273849=⨯-+-+-+-+-=
∆L L L L L L L L L L L （mm ）
图 三
李萨如图形及其相位差
2π 3π/ 2
π
π/ 2 ϕ∆=0
图 二 位相比较法测声速
796.92=∆=L λ（mm ）
， 8.345==f v λ (m/s) ， %9.1%100=⨯-=理
理v v v E
6==∆E v v 理 (m/s) 346=测v (m/s)
超声波在空气中随传播距离的衰减曲线（相对）如下图。
图 四 超声波在空气中的衰减曲线
2．位相比较法（行波法）测声速
用逐差法同理：743.9=∆L （mm ）， 743.9=∆=L λ（mm ）， 9.343=v (m/s)
%3.1=E ， 4=∆v (m/s) ， 344=测v (m/s)
分析讨论
1、误差分析：1)
示波器的仪器E=5% ，及观察波形视觉和读数误差；2）驻波法振幅最大值或行波法相位差判断(包括每次读数时游标卡尺是否到位)误差；3)超声声速测试仪游标卡尺仪器误差及读L 的读数误差；4)函数信号发生器显示f 误差； 5)环境(如温度)干扰误差。
2、改进与讨论：
测声速的关键在于对振幅是否正好最大和垂直合成正好是直线的判断，因此可将示波器的灵敏度调到比较大的位置（V/DIV 调小），通过观察波幅的局部作出判断。
另外对于游标卡尺的长度测量一定要使用微调装置，如有可能最好使用螺旋测微计或迈克尔逊仪器装置。
预习思考题
1． 声波是横波还是纵波？可闻声波的频率为20Hz~20kHz 。
次声波频率小于20Hz ，超声
波频率大于20kHz 。
为何用超声波测声速？ 答：声波是纵波。
由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。
2． 压电换能器S 1、S 2能否在较宽的频带实现机械能与电能的转换？
A P-P (V)
0λL 0+λ
L 0+3λ/2
L 0+2λ L 0+5λ/2
L 0+3λ L 0+7λ/2
0λL 0+9λ/2
答：能。
这种装置已经成功地在高达100KHz 的频率下使用。
3． 驻波如何形成？驻波的振幅如何达到最大值？
答：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时叠加便可形成驻波。
只有当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，驻波的振幅才达到最大值，这种现象称为驻波
的共振。
4． 如何调节与判断测量系统是否处于共振状态？
答：在使发射换能器S 1 端面与游标卡尺的移动方向相互垂直，接收换能器S 2 端面与S 1 端面平行的基础上，两换能器靠拢但不可接触，在示波器上观察到振幅最大值时，则测量系统处于共振状态。
5． 当机械波在弹性媒质中传播时，其位相差与波程差的关系是什么？ 答：波程差改变λ=∆L ，位相差变化πφ2=∆。
6． 什么是逐差法？它的优点是什么？它适用的条件是什么？
答：把实验数据前后对半分为一、二两组，用第二组的第一项与第一组的第一项相减，第二项与第二项相减，……,即顺序逐项相减，然后取平均值求得结果，这种数据处理的方法称之为逐差法。
逐差法的优点在于：⑴保证了全部数据被充分利用；⑵计算结果具有最小的相对不确定度。
逐差法适用于当实验数据为在一物理量作等间隔改变时测得另一物理量一系列的对应值的情况。
课后思考题
1． 为什么实验中要求信号发生器的输出频率始终保持为谐振频率？
答：因为只有当信号源的输出频率尽可能接近换能器系统的谐振频率时，发射换能器才能发射出较强的声波，同时接收换能器也才有较高的接收灵敏度，才能保证示波器能获得较强的信号。
2．本实验装置可用作温度计吗？如果每个L ∆的长度精确到0.002mm ,在频率不变的条件下，能测到的最小温度变化是多少？
答：本实验装置可用作温度计。
测量精度分析如下：
01T t v v +
= ，f v λ= λ
λ∆=
∆∴20
2
02v
f T t
驻波法：L ∆=2λ，取Hz 30.35k f f m ==，m/s 45.3310=v ，mm 004.0=∆∆L ， mm 898.4=∆L ，代入
3
2
3
62202
010
004.045
.33110
898.41030.3515.27388--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
∆∆∆=∆L v
L
f T t )(5.0C ︒=
行波法：L ∆=λ，取Hz 30.35k f f m ==，m/s 45.3310=v ，mm 004.0=∆∆L ， mm 743.9=∆L ，代入
3
2
3
62202
010
004.045
.33110
743.91030.3515.27322--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
∆∆∆=
∆L v
L
f T t )(2.0C ︒=
评分标准(30分)
1. 实验文字部分（10）：实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容、回答预习思考题。
2. 数据处理部分（15）：数据表格、计算、结果表达式
3. 分析讨论部分（5）：误差原因分析、课后思考题。