用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度
声速测量
课程名称：大学物理实验
实验名称：
学院：食品学院专业班级：生物工程151班
学生姓名：冯思麟学号：**********
实验地点：基础实验大楼B211座位号：
实验时间：第五周星期一上午十点开始
一、实验目的：1.学会测量超声波在空气中的传播速度的方法
2.学会用逐差法进行数据处理；
3.理解驻波和震动合成理论。
八、附上原始数据：
五、实验数据与处理：
表1 f=38.167kHz
项目
S2坐标/mm
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X8
X9
X10
15.365
19.368
24.475
28.969
33.490
37.081
42.617
46.142
51.790
56.210
逐差
X6-X1
X7-X2
X8-X3
X9-X4
X10-X5
21.725
23.249
七、思考题：
1、为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测定？
答：因为在谐振频率下，反射面之间的声压达极大值。这样从示波器上观察到的电压信号幅值为最大，从而更利于观察。
2、要让声波在两个换能器之间产生共振必须满足那些条件？
答：1、两个换能器的发射面与接受面互相平行。
2、两个换能器间的距离为半波长的整数倍。
（1）即当 和 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 ，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 所移过的距离为：
物理实验教案：空气中超声传播规律的研究 超声声速的测定
﹡实验目的与要求
1. 掌握用驻波法和相位比较法测量空气中的声速 2. 加深对驻波和振动合成理论知识的理解，了解
超声压电换能器的结构和原理 3. 进一步掌握信号源和示波器的使用，培养综合
使用仪器能力
﹡实 验 原 理
一、 共振干涉法（驻波法） p
波腹 L
干涉而成驻波
S1发射
S2反射
波 节
二、 相位比较法（行波法）
L 干涉而成驻波
S1发射
S2反射
声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场 在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但 它和声源的振动相位差Δj不随时间变化。
j 2 L
S1接X通道,S2接Y通道，移动S2,得到如下李萨如图形：
j 0 j
2
j j 3
2
结论：每次出现重复图形S2移动的距离为λ
2
3
2
2
L
S2表面声压与其位置的关系
当换能器S1与S2的表面平行时，由换能器S1的震动产生的 超声波在S1、S2两表面之间形成驻波，在接收换能器S2处 是振幅的波节位置（理论推导）、声压的波腹位置，即该
处位移为零，声压最大。当S1、S2的间距满足一定条件时， 出现稳定的驻波现象，此时接收器S2表面的声压振幅最大， 改变S1、S2的间距，可以测量到一系列的声压最大的位置， 而这些相邻位置的间距就是超声波半波长的大小。
同李萨如图形时所对应的接收头的坐标
﹡数据记录与处理
1.逐差法计算波长 ，得到10 L5 L9 L4 L6 L1
位
1 25
l10 l5
l9 l4
l6 l1
2.计算超声波在空气中传播速度的公认值 v公认 ，求出两种测
声速的测量--物理实验预报告
声速的测量信息工程学院、生物医学工程、李杰（61034110132）实验目的1、学会测量超声波在空气中的传播速度的方法，理解驻波和振动合成理论。
2、学会用逐差法进行数据处理。
3、了解声波在空气中的传播速度与气体状态参量的关系。
4、了解压电换能器的功能和培养综合使用的能力。
实验仪器声速测量仪、示波器、信号发生器、信号接受器实验原理1、声音在空气中传播2、声波的速度与空气的状态有关参量（温度、比热比、单位气体摩尔质量、湿度）3、声波是纵波具有振动频率和波长4、声波叠加形成驻波，波节出压力最大（电信号最强）实验方法由v=f·λ(v为声速、f为声源振动频率、λ为声波波长)求的声波频率f和波长λ，就可求的波长。
※相位法波在传播方向的传播是相位的传播，在传播方向上，任何振动状态相同的两点之间的距离就是波长的整数倍。
L=nλ（n为正整数）得到λ=L/n利用超声波发射器发出声波，在接收器的端面上各点具有相同的振动状态且找到信号与发射器所激发的信号相同的位置(a)，沿着波的传播方向移动，当接收器的端面上出现相同振动状态的点时停止,位置（b）。
移动的距离就是声波的波长。
即λ=ab两点间的距离。
（在操作中，用示波器测定信号时，接收器端面的声波与声源不同相，具有一点的相位差，可以利用双踪示波器比较发射器哦信号和接收器的信号来测量声波的波长）实验步骤：1、按要求连接电路图1-1 相位法测声速实验装置图2、将示波器的秒格旋钮旋至X--Y挡，信号发生器接示波器的CH2通道，利用李萨如图形观察发射波与接受波的位置差，找出相同点。
3、达到共振后，将S2移近S1，再缓慢移开S2，当示波器上出现450倾斜线时，微调游标卡尺的微调螺丝，将图形稳定，记下S2的位置Χ104、缓慢移开S2，依次记下20个示波器上李莎茹图形为直线时游标卡尺的读数Χ1 1、Χ12、Χ13··········Χ120。
声速测量
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μγRT 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：15.273145.331100t 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。
超声波传播速度的测量
超声波传播速度的测量超声波传播速度的测量【教学⽬的】1.学习⽤驻波共振法和相位⽐较法测量超声波在空⽓中的传播速度。
2.了解压电换能器的功能。
3.学习⽤逐差法处理数据。
【教学重点】1. 掌握本实验的原理，熟悉各仪器的使⽤。
2. 能够运⽤驻波共振法和相位⽐较法准确的测出超声波在空⽓中的传播速度。
【教学难点】理解并掌握驻波共振法和相位⽐较法测量超声波在空⽓中的传播速度的原理及⽅法。
【课程讲授】提问：1. 本实验中的超声波是如何获得的？2. 如何利⽤驻波共振法和相位⽐较法测量超声波在空⽓中的传播速度？⼀、实验原理频率介于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。
根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ,其中υ为波速, λ为波长,f 为频率。
图1共振法测量声速实验装置在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。
声波的频率f 可以直接从低频信号发⽣器(信号源)上读出,⽽声波的波长λ则常⽤相位⽐较法(⾏波法)和共振⼲涉法(驻波法)来测量。
图2 相位⽐较法测量声速实验装置1.相位⽐较法实验装置接线如图2所⽰，置⽰波器功能于X －Y ⽅式。
当S1发出的平⾯超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动⽅程为：22见图(a)0=?? (b)4π?=(c)2π?=? (d)43π?=? (e)π?=? 图3 合成振动长λ和频率f ，根据式f ?=λυ即可计算出声⾳传播的速度。
改变S1和S2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，荧光屏上的图形也随L 不断变化。
显然，当S1、S2之间距离改变半个波长2/λ=?L ，则??＝π。
超声声速测量实验报告
超声声速测量实验报告实验目的：通过测量超声波在介质中传播的时间，计算出声速。
实验原理：超声波是指频率高于人耳能听到的最高频率20kHz 的声波。
在实验中，可以用超声波测量仪测量超声波在不同介质中传播的时间，通过已知距离除以时间，可以得到声速。
实验装置：超声波发生器、超声波接收器、示波器、计时器、测量尺。
实验步骤：1. 将超声波发生器和超声波接收器连接到示波器上，并将示波器调节到合适的显示范围。
2. 使用测量尺测量超声波在空气中的传播距离，并记录下来。
3. 打开超声波发生器和接收器的电源开关，并调节超声波频率和强度。
4. 用计时器测量超声波从发生器发出到接收器接收到的时间，并记录下来。
5. 将超声波发生器和接收器放入水中，重复步骤2-4，分别测量超声波在水中的传播距离和时间。
6. 用已知的距离除以测得的时间，即可得到声速。
实验数据记录：- 空气中传播距离：30cm- 空气中传播时间：2.5ms- 水中传播距离：30cm- 水中传播时间：1.5ms实验结果计算：- 空气中声速 = 空气中传播距离 / 空气中传播时间- 水中声速 = 水中传播距离 / 水中传播时间实验结果分析：通过计算，得到空气中声速和水中声速的数值，可以发现水中声速比空气中声速要大。
这是因为声速与介质的密度和弹性有关，水的密度比空气大，所以声速也相应增加。
实验误差和改进：1. 计时器的误差：计时器的精度可能会带来一定的误差，可以尝试使用更精确的计时器进行测量。
2. 超声波的发射角度：超声波的传播方向可能会受到发射角度的影响，应尽量保证超声波直线传播。
3. 环境因素的干扰：实验室中可能存在其它声音的干扰，可以选择较为安静的环境进行实验。
实验总结：通过超声声速测量实验，我们可以通过测量超声波在介质中传播的时间，计算出声速。
这个实验可以帮助我们了解声波在不同介质中的传播特性，以及介质对声速的影响。
同时，实验中应注意排除干扰因素，保证实验结果的准确性。
声波在不同介质中的传播速度测量方法
声波在不同介质中的传播速度测量方法声波是一种在空气、水、固体等介质中传播的机械波。
了解声波在不同介质中的传播速度对于许多领域都具有重要意义，例如地震学、医学成像和无损检测等。
本文将介绍几种常用的声波传播速度测量方法。
1. 时差法时差法是最简单、最常用的测量声波传播速度的方法之一。
该方法利用声波从源点到接收点的传播所需的时间差来计算速度。
首先，在介质中设置一对源点和接收点，然后通过控制源点发出的声波信号，在接收点上同时接收到声波信号。
利用声波传播的速度等于传播的距离除以传播的时间的关系，可以测量声波在介质中的传播速度。
2. 声速仪声速仪是一种用于测量声波传播速度的仪器。
它通过发射声波信号，并测量信号从发射器到接收器所需的时间来计算声波传播速度。
声速仪使用超声波的原理，将发射器和接收器置于介质中，通过计算声波传播的时间差来得到传播速度。
声速仪广泛用于材料的非破坏性检测、地质勘探和水下测量等领域。
3. 粒子成像方法粒子成像方法是一种通过探测和分析声波传播过程中微小颗粒的运动轨迹来测量声波传播速度的方法。
在介质中加入微小颗粒，例如微米级的粉末或液滴，然后利用激光束照射颗粒，观察颗粒的运动轨迹。
通过测量颗粒在特定时间段内移动的距离和时间，可以计算声波在介质中的传播速度。
粒子成像方法在研究流体力学和材料科学中具有广泛应用。
4. 超声多普勒方法超声多普勒方法是一种利用多普勒效应测量声波传播速度的方法。
多普勒效应是指当声源和接收器之间相对运动时，声波的频率会发生变化。
通过测量接收到的声波信号的频率变化，可以计算声波传播速度。
超声多普勒方法常用于医学成像领域，如超声心动图和血流检测。
总结声波在不同介质中的传播速度可以通过多种方法进行测量。
时差法是最简单、最常用的方法，而声速仪、粒子成像方法和超声多普勒方法则适用于不同领域和具体情况。
通过学习和研究声波传播速度的测量方法，可以更好地理解声波在介质中的行为，为相关应用提供理论支持和技术改进。
实验二空气中声速的测量
y2
A cos t
2
x
（4）
大 这两列波叠加后的合成为
南 东
y
y1
y2
Acos t
2
x
Acos t
2
x
(5)
2 A cos
2
电极
头部（铝）
中 距离。S1和S2之间的距离由毫米分度尺与测微 学 鼓轮的组合读出。
两个换能器的性能完全相同，是压电陶瓷
验 超声换能器，其结构如图 8 所示。压电陶瓷超
级 声换能器由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。
1 实 压电陶瓷片（如钛酸钡、锆钛酸铅等）是由一 1 种多晶结构的压电材料做成的，在一定温度下
测量氯气、蔗糖、硫酸等气体或溶液的浓度；测定输油管中不同油品的分界面等等。
使 本实验是测定超声波在空共振干涉法、相位比较法和时差法测量声波在空气中的传播速度； 中 2． 了解压电换能器的功能及发射和接收超声波的方法。
学 实验原理 验 在理想气体中声波的传播速度为
大，变到极小，再变到极大。幅度每经一次周期性变化，就相当于S1与S2之间的距离改变了 半波长/2。S1与S2间距的变化用螺旋测微装置测得，超声波源的振动频率f仪器上显示，这
使 样就可以求得声速v。
心 2．相位比较法
生 实验装置如图 1 所示。从超声源S1发出的超声波通过介质到达接收头S2，在发射波和接 中 收波之间产生了相位差。分别将发射波和接收波输入示波器的“CH1”和“CH2”通道，可
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
以观察到的变化。此相位差和角频率（f）、传播时间、声速v、S1和S2之间的距
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用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度【目的要求】
1. 进一步熟悉信号发生器和示波器的使用；
2. 了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解；
3. 用相位法和共振法测定超声波在空气中的传播速度。
【引言】
声音是由于声源的振动而产生的，它通过周围弹性媒质的振动向外传播而形成声波(纵波)。
声波的波长、强度、传播速度等是声波的重要性质，其中声速的测量在实际应用中有着十分重要的意义。
声速可以利用它与频率和波长之间的关系( )来测量，其中波长的测量是解决问题的关键。
既然声音是以波的形式传播，就有可能利用驻波法测定其波长，进而确定其波速。
其中共鸣管就是测定声音在空气中传播速度的一种装置。
频率在之间的声波称为超声波，它具有波长短、能定向传播等优点。
超声波在测距、定位、测液体流速、测材料弹性模量以及测量气体温度瞬间变化等方面有着广泛的应用。
本实验还将利用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度，通过本实验可以进一步了解声波在空气中传播速度与气体状态参量的关系以及超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解等。
【实验原理】
声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为： (11.1)
可见，只要测出声波的频率和波长，即可求出声速。
f可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。
根据超声波的特点，实验中可以采用几种不同的方法测出超声波的波长：
１．相位法：
波是振动状态的传播，也可以说相位的传播。
沿传播方向上的任何两点，如果其振动状态相同
(同相)或者说其相位差为的整数倍，这时两点间的距离应等于波长的整数倍，即：
(11.2)
利用式 (11.2) 可精确地测量波长。
由于发射器发出的是近似于平面波的声波(图
11-5),当接收器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。
沿传播方向移动
接收器时，总可以找到一个位置使得接收到的信
号与发射器激励信号同相。
继续移动接收器，直
到接收的信号再一次和发射器的激励电信号同相
时，移过的距离必然等于声波的波长（注意：由
于示波器、换能器等产生的相移，实际上并不一
定和声源同相，总是有一定的相位差，但这对于
实验中波长的测量并无影响）。
①用双线示波器直接进行相位比较：
为了判断相位以测定波长，可以利用双线示波器直接比较发射器信号和接收器信号。
沿传播
方向移动接收器寻找同相点即可实现。
如图11-2 所示。
②李萨如图形法：
如图11-3所示，利用图形寻找同相或反相时椭圆退化为右或左钭直线的点，其优点是直钭
线情况判断相位差最为敏锐。
２．共振法：
如前所述，由发射器发出的声波近似于平面波。
经接收器反射后，波将在两端面间来回反射并且叠加。
叠加的波可近似地看作具有驻波加行波的特征。
由纵波的性质可以证明，当接受器端面按振动位移来说处于波节时，则按声压来说是处于波腹。
当发生共振时，接收器端面近似为波节，接收到的声压最大，经接收器转换成的电信号也最强，声压变化和接收器位置的关系可从实验中测出(图11-4)。
当接收器端面移动到某个共振位置时，如果示波器上出现了最强的电信号，继续移动接收器，将再次出现最强的电信号，则两次共振位置之间的距离即为。
【仪器用具】
仪器设备包括 SW-1型声速测量仪，CA8020A 型双踪四线示波器，EE164型函数信号发生器/计数器， 干湿差湿度计等。
SW-1型声速测量仪结构如图11-5所示。
它实际上是超声波发生器（发射器）和接收
器的有机组合。
超声波发生器利用压电体的
逆压电效应，在信号发生器产生的交变电压
下，使压电体产生机械振动，而在空气中激
发出超声波。
本仪器把锆钛酸铅制成的压电
陶瓷管(又称压电换能器)粘接在合金铝制成
的阶梯形变幅杆上，将它们与信号发生器连
接即可组成超声波发生器。
当压电陶瓷处于
一交变电场时,会发生周期性的伸缩,交变电
场频率与压电陶瓷管的固有频率( )相同时振幅达最大值，该振动传递给变幅杆，
使其产生沿轴向的振动，并通过增强片的端
面在空气中激发出超声波。
超声波波长很短
(仅约数毫米)，定向发射性能好，又由于增
强片的直径比波长大得多，故可近似认为该
发射器发出的超声波是平面波。
超声波的接
收器则是利用压电体的正压电效应，将接收
到的超声振动转化为电信号。
为使此电信号增强，经选频放大器放大后，再经屏蔽线传输给示波器观 测。
接收器被安装在可移动的机构上，这个机构包括可移动支架（其上装有指针，并通过定位螺母套 在丝杆上，由丝扦带动作平移）、螺杆及带刻度的手轮等。
接收器的位置可由标尺与读数鼓轮的联合 读数确定。
关于示波器及信号发生器的使用请参考仪器使用说明书。
图 11-7 为声速测量装置实物图。
【实验内容】
1. 用相位比较法测定超声波的波长以求声速：
按图11-7连接仪器装置，参照说明书正确使用示波器及信号发生器。
将信号源调至压电陶瓷换能 器的固有频率，示波器叠加方式用“交替”或“断续”，内触发电源选“Y2”，然后沿超声波传播方 向移动接收器、寻找同相点，即可测出波长。
2．用李萨如图形法测声速：
按下示波器的“X-Y ”键，改变接收器位置，通过李萨如图形测定超声波波长。
3. 用共振法测声速：
按图11-4连接装置，示波器叠加方式用“Y2”，内触发电源亦选“Y2”或“Y1/Y2”，连续改变接 收器位置，观察声压变化与接收器位置的关系，由此测定超声波波长。
【注意事项】
1．正确使用信号发生器及示波器；实验时一般将信号源输出调至峰-峰值左右。
2．用声速测量仪测定波长时，应注意单方向（一般是超声波的传播方向）移动接收器，否则将会产生螺距间隙差。
3．注意恰当选择示波器的“扫描速度调节（ SEC/DIV ）”及“电压调节（ VOLTS/DIV ）”的档位，以便观察及减小测量不确定度。
【考查题】
1．怎样寻找锆钛酸铅压电陶瓷管的固有频率？
2．用相位比较法测波长时，内触发电源选“ Y 1 ”可以吗？选“ Y 2 ”和“ Y 1 ”有何不同？
用李萨如图形法测量时有无影响？用共振法测量时应如何？。