声速的测定
超声波传播速度的测量
【实验目的】
1、了解压电换能器工作原理,加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。 2、学习干涉法、相位法测定超声波的传播速度。 3、进一步熟悉示波器的使用。 【实验仪器】
声速测定仪、示波器 【实验原理】
根据声波各参量之间的关系可知
υ=λ⋅f , 其中υ为波速, λ为波长, f 为频
率。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则常用共振干涉法(驻波法) 和相位比较法(行波法) 来测量。
1. 共振干涉(驻波) 法测声速 使S1发出一平面波,S2作为超声波接收头,把接收到的声压转换成交变的正弦电压信号后输入示波器观察,示波器置扫描方式。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之间产生定域干涉。当S1和S2之间的距离L 恰好等于半波长的整数倍时,即
L =k
λ
2, k = 0,1,2,3 …… 形成驻波共振。任意两
∆L =L k +1-L k =(k +1)
λ
2
个相邻的共振态之间,S2的位移为,
-k
λ
2
=
λ
2
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
λλ
化,相当于S1和S2之间的距离改变了2。此距离2可由读数标尺测得,频率f 由信号发生器读得,由υ=λ⋅f 即可求得声速。
2. 相位比较法
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
x 2y 22xy 2
+-cos(ϕ-ϕ) =sin (ϕ2-ϕ1) 2122
A 1A 2A 2
成振动方程为:A 1,在发射波和接
∆ϕ=ϕ2-ϕ1=2π
∆x
收波之间产生相位差:
λ。见图1,随着振动的相位差从0~
2π的变化,李萨如图形发生周期性变化。因此,每移动一个波长,就会重复出现斜率相同的直线,测得了波长λ和频率f ,根据式υ=λ⋅f 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之间距离改变一个波长,则∆ϕ=2π。
∆ϕ=0
∆ϕ=
2
∆ϕ=π
∆ϕ=
2
∆ϕ=2π
图1 合成振动
【实验内容】
1. 仪器调整,电路连接并确定系统共振频率。 2. 干涉法测量波长。
t= 0C f =
用逐差法处理数据,完成下表。
t= 0C f =
λ共=
L 25
10
-L 5+L 9-L 4+ +L 6-L 1]
1
λ位=l 10-l 5+l 9-l 4+ +l 6-l 1]25
v S =(331. 45+0. 59t )m /s
E =
v 测-v S
v S
⨯100%