声速测量
声速测定
► 声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，它
是纵波，其振动方向与传播方向相一致。 ► 频率低于20Hz的声波称为次声波； ► 频率在20Hz-20kHz的声波可以被人听到，称 为可闻声波； ► 频率在20kHz以上的声波称为超声波。
测量声速的意义
声速是描述声波在媒质中传播特性的基本 量，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。
1．共振干涉法测空气中声速 （1）测定压电陶瓷超声换能器系统的最佳工 作点。 声速测试仪信号源面板上“测试方法” 设置为“连续波”，“传播介质”设置为 “空气”，“发射强度”和“接收增益” 旋 钮顺时针旋在较大位置。缓慢调节“信号频 率”旋钮使接收端 S2 电信号的幅值达到最 大，此时系统处于谐振状态，显示谐振发生 的信号指示灯亮，信号源面板上频率显示窗 口显示谐振频率（ kHz ）。此状态为压电陶 瓷换能器系统的最佳工作点。
声速的测量方法可分为两大类： 第一类方法是根据关系式 V=S/t ，测出传播 距离S和所需的时间t后即可算出声速； 第二类方法是利用关系式 ，从测量频 率f 和波长 来算出声速v。 本实验采用第二类方法。 由于超声波具有波长短、能定向传播等特点， 所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。 本实验就是测量超声波在空气中的传播速度。
2．压电陶瓷超声换能器的工作原理 压电效应
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在声速测量中，采用压电陶瓷超声换能器作为声波的发射 器和接收器。 声速测量仪中换能器 S1 作为声波的发射器是利用了压电材 料的逆压电效应。压电陶瓷环片在交流电压作用下，发生 纵向机械振动，在空气中激发超声波。换能器 S2 作为声波 的接收器是利用了压电材料的压电效应。空气的振动使压 电陶瓷环片发生机械形变，从而产生电场，把声信号转变 成了电信号。
2．相位比较法测空气中声速
[注意事项]
► 1．测量时，旋转鼓轮应向同一方向旋转，
以避免空程误差。
► 2．两超声逐差法计算Li，并求其平均值及不确定度；
► 计算波长的平均值及不确定度；
► 计算波速的平均值及不确定度；
► 计算声速的理论值；声波的传播速度公式
► 将实验值与理论值进行比较，计算出百分误差。
[实验内容]
（2）移动S2，使接收端S2电信号的幅值达 到最大，此时 S2 为共振驻波状态的波节位 置，声压最大。由数显表头读数记录S2所在 位置x1。 （ 3 ）依次移动 S2 ，观察示波器，每当示值 达到最大时，记录S2所在位置x2、x3、…x16 （相邻位置之间的距离为 ）。 （4）记录实验室干、湿温度t ℃、t ‘ ℃以及 大气压强p。
► S1与S2之间变化一个波长
相位差 变化 ，示波器上所观察到的李萨如图 随之变化一个周期。 李萨如图随相位差的变化
，
[实验仪器]
声速测量仪
► “ 信号频率”用于调节输
信号发生器
出信号的频率； ► “发射强度”用于调节输 出信号电功率； ► “接受增益”用于调节内 部的接受增益。 ► “测试方法”设置在“连 续波”方式时，面板左上 方 显 示 窗 显 示 频 率 （kHz）。 ► 当测量系统处于共振状态 时，面板左下角“信号指 示灯”应亮 ，并且在测 量过程中应一直保持亮。
► 当输出的正弦交流电信号频率与压电陶瓷超声换能
器的固有频率相同时，发射换能器S1处于谐振状态， 此时，发射的超声波能量最大；当外力的频率等于 谐振频率时，压电换能器S2产生谐振，此时得到的 电信号最强。 ► 定义声压 P 为有声波传播时媒质中的压强与无声波 传播时媒质中静压强之差。波腹处声压为零，波节 处声压最大。声压和位移的相位差为 。 ► 因为接收器S2 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。
3．声速的测定
(1)共振干涉法
►图中 S1 和 S2 为压电晶体换能器， S1 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 ；S2 为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反 射．当S1和S2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为半波长的整倍数时发生共振， 产生共振驻波现象，波幅达到极大.
[ 实验目的]
► 了解超声波产生和接收原理，学习测量空
气中声速的方法 ► 用共振干涉法和相位比较法测量空气中的 超声声速 ► 学习用逐差法进行数据处理
[基本原理]
1．空气中的声速
► 声速
► 若固定频率为
f=f0（谐振频率），通过波长 测量， 即可求的声速 v。 ► 本实验采用压电陶瓷超声换能器来实现声波和交流 电压间的转换。
接受器表面声压随距离的变化
►图中各极大值之间的距离均为 ，由于散射和其 他损耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减小． 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 ，即可由公式求得声速．
（2）相位比较法
► 从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的
相位差为
