《声速测量》实验预习报告

一、    实验原理

1．      理论计算

理想气体中声波的传播速度为

其中，γ为比热容比，Ｍ是气体的摩尔质量，Ｔ是绝对温度，Ｒ＝(mol·K)

在室温t下，干燥空气中的声速为

其中，，。

但实际中空气并不是干燥的，所以修正的结果为

其中，r为相对湿度，p_s为饱和蒸汽压，。

2．      实验方法

由于，故只要测出频率和波长，就可以求出声速。

其中，声波频率由声源振动频率得到，再用相位法测得波长即可。波可以看成是相位的传播。沿传播方向上的任意两点，只要他们的振动状态相同，即同相或者相位差为２π的整数倍，这时两点间的距离应等于波长λ的整数倍，即。

当在发射器的声波中沿传播方向移动接受器时，总可以找到一个位置，使得接受器接受到的电信号和发射器的激励电信号同相。继续移动接受器，知道接受的信号再一次和激励电信号同相的时候，移过的距离必然等于声波的波长。利用利萨如图形在两个电信号同相或反相时椭圆退化为友斜或左斜直线即可判断。

二、    实验步骤

1．      连接电路。函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端及示波器的通道1相连；超声波接受器的输出端和示波器的通道2相连。函数信号发生器置于正弦波输出，频率置于100kHz档，输出幅度调到峰值10V左右。

2．      用示波器观察加在声波发射器上的电信号和超声波接受器输出的电信号。先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右，然后细调频率，使接受器输出信号最大，记下此频率，即超声波频率。实验过程中若有改变，记下最大最小值，最后取平均值。

3．      用相位法测波长。利用利萨如图找出同相点，每遇到一个同相点就测一次接受器的位置x，连续测20个，并用逐差法处理。得到波长的平均值。计算声速。

4．      在测量开始和结束时，先后记录室温t₁和t₂，以及相对湿度r₁和r₂，并查出平均室温对应的饱和蒸汽压。若温度不是整数值，则按线性内插法求出准确的饱和蒸汽压值。计算理论值，和实验值比较。

三、    数据处理

超声波的频率f=  kHz

理论计算：

t₁=℃  t₂=℃  t=℃

r₁=55%     r₂=58%     r=%

p_s=

 

第二篇：声速的测量实验报告

大学物理实验课教案

一  实验目的：

（1）加深对驻波及振动合成等理论知识的理解，

（2）掌握用驻波法、相位法测定超声波在媒介中的传播速度，

（3）了解压电换能器的工作原理，进一步熟悉示波器的使用方法提高运用示波器观测物理参数的综合运用能力。

二  实验仪器：

     SVX-3综合声速测定信号源、声速测定架。数字示波器。。

三  实验原理

声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波（频率超过2×10⁴Hz的声波）传播速度的测量在国防工业、工业生产、军事科学与医疗卫生各领域都具有重大的现实意义。实验室常用驻波法和相位法进行测量。

（一）驻波法测量声速基本原理

如图所示为两列同频率、同振幅、振动方向平行且相向传波的机械波在媒介中形成的驻波波形，其波腹间距与波节间距均为半个波长。通过对波腹（节）间距X的测量便可实现对波长λ的间接测量，结合对驻波谐振频率f的测量便可间接求算声波的传播速度v。

v = λ× f

λ=2X

v = 2X× f

                              原理图示1（驻波法原理图）

（二）相位法测量声速基本原理

  请同学们自行完成！要求体现以下两个方面的内容！

（1）简谐振动正交合成的基本原理，

（2）利用李萨如图形的相位差特点间接测量声速的基本原理。

四  实验内容与步骤

（一）驻波法测声速

 

               实验连线图示1（驻波法）

（1） 了解测试仪的基本结构，调节两个换能器的间距5cm左右。

（2） 初始化示波器面板获得扫描线。

（3） 按图示1正确连线，将示波器的扫描灵敏度与通道1垂直灵敏度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） 依次调节信号源的频率粗、细调旋钮，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（表一）。

（5） 逆时针方向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并初始化数显读数标尺。

（6） 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮至驻波波腹（节）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（表一）。

（7） 重复步骤7连续记录14个波腹（节）的位置读数并记录于（表一）。

（8） 实时记录环境温度与SV8输出电压幅值V。

（二）相位法测声速

（1） 保持驻波法连线不变，另用一根电缆线连接信号源的发射波形接口与示波器通道2输入端口。

（2） 调节示波器扫描旋钮至正交档，逆时针方向转动换能器平移鼓轮观察不同相位差时的李萨如图形（斜线、椭圆、圆）。当两换能器端面距离约5厘米时停止转动。

（3） 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一正（反）斜线时停止转动换能器平移鼓轮并初始化数显读数标尺。

（4） 缓慢顺时针方向转动换能器平移鼓轮，当示波器显示一反（正）斜线时停止转动换能器平移鼓轮并将此时的数显标尺读数记录于（表二）。

（5） 重复步骤4记录14个反（正）斜线波形的位置读数并记录于（表二）。

（6） 实时记录环境温度与SV8输出电压幅值V。

（7） 结束实验归整仪器。

五  原始数据记录表（此表要求学生课前完成并绘于预习报告中）

表一  驻波法测量声波传播速度记录表

表二  相位法测量声波传播速度记录表（正反斜线法）

六  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！（X>5cm）

（4）转动换能器平移鼓轮不可过快！并注意避免回程差！

七  实验数据处理与实验结果

1   原始数据见原始数据记录纸，

2   数据处理采用的具体方法：列表法与逐差法

3   数据处理与实验结果（仅供参考，表中T_O=273.15K, V_实代表声速实测值）

输入频率： _36761Hz，  0.3Hz    ,环境温度：30.0°C，电压15伏）

实验结果：

实测值与理论计算值之间的百分误差：

 

八  问题讨论（必须持有自己的观点方可请教老师！）

（1）用示波器观测交变信号波形的时候，如果波形快速移动不便于观测，其根本原因是什么？如何解决？

（2）用相位法测声速过程中，可分别采用正、负斜线法与正、负椭圆法，哪一种方法更简单合理？为什么？