声速的测量
实验简介
声波是在弹性媒质中传播的一种机械波、纵波，其在媒质中的传播速度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。

本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度。

实验目的
1、学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度；
2、深刻理解驻波的特性以及相位的物理含义；
3、了解产生和接受超声波的原理。

实验仪器
示波器 声速测试仪 信号发生器
实验原理
声波在空气中传播，其传播速度υ和声源的振动频率f 以及波长λ有如下关系
λυf =
测出声波的波长和声源的振动频率，就可以求出声波的传播速度。

1、声波的发射和接收
利用压电换能器实现声波的发射与接收，为避开环境声音对实验的影响，频率选自超声段。

2、驻波法测声速
根据波动理论，频率为f 的声波经介质到反射面，若反射面与发射面平行，则声场中同时存在两列波，其叠加的结果如下
设沿x 方向的入射波方程为
)2cos(11λ
πωx
t A Y -
=
反射方程为
)2cos(22λ
πωx
t A Y +
=
当A A A ==21时，则介质中某一位置的合振动方程为
t x
A Y Y Y ωλ
πcos )2cos
2(21=+=
当
πλ
πK x
=2时，合振动振幅最大，当
2
)
12(2π
λ
π+=K x
时，合振动振幅最小。

通过实验装置，测出两次合振幅最大（小）的位置，即可算出波长λ。

将其代入公式
λυf =中即可求出声波的波速υ。

3、相位法测声速 入射波方程
)cos()2cos(1111ϕωλ
πω+=-
==t A x
t A Y X
反射方程为
)cos()2cos(2222ϕωλ
πω+=+
==t A x
t A Y Y
介质中某一位置的合振动方程为
)(sin )cos(2122
1222
21222212ϕϕϕϕ-=--+A A xy A y A x 上述方程轨迹为椭圆，其长短轴和方位由相位差12ϕϕ-决定。

1、若012=-ϕϕ，则有
x A A Y 1
2
=
其轨迹为一直线，在一、三象限。

2、若πϕϕ=-12，则有
x A A Y 1
2
-
= 其轨迹也为一条直线，在二、四象限。

两条直线图形的距离间隔为半个波长，由此可以测出波长，再根据λυf =即可求出声波的波速υ。

实验内容
1、驻波法测声速
2、相位法测声速
实验步骤
1、驻波法测声速 a 、按下图进行连接。

b 、转动距离调节手柄，使声速测量仪的发射端和接收端的两个端面相距为1cm 左右，调节信号发生器的频率为40kHz 左右，观察示波器上波形幅度的变化，当接收到信号幅度最大时，记录信号发生器的频率f ，并在实验中保持不变。

c 、缓慢转动距离调节手柄，使声速测量仪的接收端远离发射端，并记录示波器上波形幅度最大时的位置，连续记录20个，相邻读数的差值为
2
λ。

e 、用逐差法求波长λ，最后求出波速υ。

2、相位法测声速
a 、按下图进行连接，将示波器的“扫描频率”旋至“y x -”位置；
b 、缓慢转动距离调节手柄，观察示波器上图形的变化，当出现直线图形时，记录接收端的位置读数，连续记录20个，相邻读数的差值为2
λ。

c 、用逐差法求波长λ，最后求出波速υ。

数据记录
问题与讨论
1、声波的传播速度与温度等条件有关，当空气的温度变化时，声速将怎样变化？
2、本实验选取超声频段以减小干扰，如果要求测试可闻声波频段，实验装置应如何改进?
3、可否测量声波在水中的传播速度？若能测量，实验装置应如何改进？利用此装置可否测量某种液体的密度？简述实验方案。