之 间 的时 间差 ， 有【 】 ：
２ ｄ— ｗ ｔ （ ６ ）
１ 实 验 原 理
测量 声 速最 简 单 的方 法 是利 用 声 速 、 超 声 波
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — １ ２ ０ ２
幅， ／ 、 为 超声 波 的频率 ， 为超 声波 的波 长 ， ｚ为接收
端 ５ 与发 射端 ５ ． 之 间 的距 好等 于半 波长 的整
软件 ｌ １ ２ ＿ 对 实验数 据进 行处 理 ， 学生 在 学 习 物理 内
发 射 面平行 ， 声 波在接 收 面处就 会被 垂直 反射 ， 若
不 考虑 超声 波在 介 质 中 的损 耗 ， 入 射 波和 反 射 波 分 别表 示为 ：
容 的 同时 ， 熟练 掌握 常用数 据 处理软 件 的使用 ， 不
发 的超 声波 经介 质传 播到 接 收端 Ｓ 。 ， 若 接 收 面与
法进 行超 声 波传播速 度 的测量 。本 文分 别使用 共
振 干涉法 、 相位 法 、 反 射 回波法 测量 了空 气和水 中
超声 波 的传播 速度 ， 比较 了三 种方 法 的优 缺点 ； 计 算 了空气 和水 中超 声 波 的损 耗 系 数 ， 使 用 Ｏｒ ｉ ｇ ｉ ｎ
反射 回波 法ｌ １ 妇 等， 大学 物理 实 验 中常 用 后 三种 方
共 振干 涉 法 又称 驻 波法 ， 实 验装 置 如 图 １所
示， 由示 波器 、 声速 测 量仪 和信 号 发 生器 组 成 ， ｓ 和Ｓ ｚ 为压 电 陶瓷 换能 器 ， 利 用 压 电效 应实 现声 压 和电压 之 间的相 互转 换 。 在 信 号发 生 器 产 生 的交 变电压 作用 下 ， 使发射端 ｓ 产 生 机 械 振 动 ， 将 激
速； 相位法误差最小 ， 共振干涉法误差相对较大 。共振干涉法研究 了示波器接收 的交变 电压 随传播距 离 的变化规律 ， 计算得空气 和水 中超声 波的损耗 系数 分别 为 ０ ． ０ １ ３ ８ １ 、 ０ ． ０ １ ８ ２ ９ ， 超声波在水 中的损耗较大 。 使用 Ｏｒ ｉ ｇ ｉ ｎ 软件直线拟合 ， 对实验结果进行分析和评价 。
不 同介质 中超 声 波传 播 速 度 测 量 方 法之 比较
李艳琴
（ 大 连大 学 ， 辽宁 大 连 ｌ １ ６ ６ ２ ２ ）
摘
要： 基于共振干涉法 、 相位法 和反射 回波法测量 了空气和水 中超声波 的传播 速度 ， 比较 丁三种
方法 的优缺点 ， 共振干 涉法 和相位法 可测量气 体和液体 中的声速 ， 反射 回波法可测量液体 和固体 中的声
断挖 掘学 生学 习 的积 极 主 动性 ， 培 养 学生 的创 新 意识 和能 力ｌ Ｈ 。
ｌ ＝ ＝ ＝ Ａｃ ｏ ｓ ［ ２ ￣ （ ／ ｔ 一 ÷
Ａ
（ ２ ）
。 ＝ ＝ ＝ Ａ ｃ ｏ ｓ ［ ２ 丌 （ ／ ＋ ］ ＾
（ ３ ）
式 中， 、 ｚ 为质 点振 动 的位 移 ， ｔ 为时间 ， Ａ 为振
关 键 词： 超声 波 ， 共振干涉法 ， 相位法 ， 发 射 回波 法 文献标志码 ： Ａ 中 图分 类 号 ： ０ ４ — ３ ３
超声 波是 一种频 率 高于 ２ ０ ０ ０ ０ Ｈｚ 的声波 ， 已 被 广泛应 用 于工业 、 农业 、 生物 医学 以及 科学研 究 等领 域 中 ， 超声 波作 为一种 信 息载体 ， 已用于测 距
第２ ７卷
第 ２期
大
学
物
理
实
验
Ｖｏ Ｉ ＿ ２ ７ Ｎｏ ． ２
Ａｕ ｒ ． ２ （ ） ｌ ＿
２ ０ １ ４年 ４月
ＰＨＹＳ Ｉ ＣＡＬ ＥＸＰＥ ＲＩ Ｍ ＥＮＴ ＯＦ Ｃ （ ） ＬＩ Ｅ ＧＥ
文章 编 号 ： １ ０ ０ ７ ２ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ０ ０ ３ ０ ￣ ０ ５
不 同介质 中超 声波传播 速度测量方法之 比较
设 压 电陶瓷换 能器 Ｓ 和不锈 钢挡 板 Ｓ ｚ 之 间
高， 而共 振干 涉法 是 采 用 最 大值 法进 行 测 量 相 对
误差 较大 ］ 。
的距 离 为 ， 超声 波从 Ｓ 传播 到 Ｓ 。 ， 在反射回 ５
所 需要 的 时间为 ｔ ， 即始 波 Ｒ。 和一 次反 射 回波 Ｒ
振 动频 率 ，和波 长 之 间 的关 系 ， 即：
：
ｆ ａ
（ １ ）
测 得超 声波振 动频 率 ’ 和波 长 ， 可得 超声 波
和定 位 、 超 声 波无损 检测 、 超声 波清 洗等 ｌ １ ， 尤 其 在海 洋勘 探 与开发 、 医 学诊 断 等 领 域发 挥 着 不 可 取代 的独 特作 用 。由于 超 声 波具 有 波 长 短 、 传 播 方 向性好 等优 点 ， 声 速 测量 实 验 中一 般选 择 超 声
波段 的声 波 进 行 测 量 。描 述 声 波 的 物 理 量 有 波
在 不 同介质 中 的传播 速 度 。 测 量 过程 中调 节 信 号 发 生器 的频 率 ， 使 接 收信号 的振 幅达 到最 大 ， 该 频 率 即 为压 电陶瓷换 能器 的 固有 频 率 ， 称 为 固有 频 率。 利 用共振 干 涉法和 相位 法测 得超 声波 的波 长 ， 根据（ １ ）式 即 可 求 得 超 声 波 在 介 质 中 的传 播 速
度。 １ ． １ 共 振 干涉法
长、 频率 、 传播 速度 、 强度 等 ， 对 这些 量 的测量 是声
学 技术 的重要 内容 ， 声速 的测 量在声 波 测距 、 定 位
和无 损检 测 中有着广 泛 的应用 。测 量介 质 中的声 速有 多种 方 法 ， 如 改 变 频 率 干 涉 法［ ６ ］ 、 双 踪 示 波 法ｌ ７ ］ 、 超声 光 栅 法 ［ 引、 共振 干涉法［ 、 相位 法 １ 【 ］ ］ 、