声速的测量一、实验简介在弹性介质中，频率从20Hz到20kHz的振动所激起的机械波称为声波，高于20kHz，称为超声波，超声波的频率范围在2×10Hz-5×10Hz之间。超声波的传播速度，就是声波的传播速度。超声波具有波长短，易于定向发射等优点，在超声波段进行声速测量比较方便。超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。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，它是非电量电测方法的一个例子。二、实验原理由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：V=f入，只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）测量。下图是超声波测声速实验装置图。信号发生器示波器?0Olee1.驻波法测波长由声源发出的平面波经前方的平面反射后，入射波与发射波叠加，它们波动方程分别是：
声速的测量 一、 实验简介 在弹性介质中，频率从 20Hz 到 20kHz 的振动所激起的机械波称为声波，高 于 20kHz，称为超声波，超声波的频率范围在 2×104 Hz-5×108 Hz 之间。超声波 的传播速度，就是声波的传播速度。超声波具有波长短，易于定向发射等优点， 在超声波段进行声速测量比较方便。 超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。因而通过媒 质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气、蔗糖等气 体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面等等，这 些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。可见，声速测定在工业生产上 具有一定的实用意义。 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，它是非 电量电测方法的一个例子。 二、 实验原理 由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f λ，只要知道频率和 波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输 出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较 法）测量。下图是超声波测声速实验装置图。 1. 驻波法测波长 由声源发出的平面波经前方的平面反射后，入射波与发射波叠加，它们波动 方程分别是：
yi=Acosy2=Acod2元f+2.叠加后合成波为：y=(2Acos2元zX17)cos2gft的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：(n =0,1,2,3.....)X=±n1/2的各点振幅最小，称为波节，对应的位置：X =±(2n +1)/4(n=0,1,2,3.....)因此只要测得相邻两波腹（或波节）的位置Xn、Xa-I即可得波长。2.相位比较法测波长从换能器S1发出的超声波到达接收器S2，所以在同一时刻S,与S,处的波有一相位差：=2zx/其中a是波长，x为S和S2之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变2元。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。oΦ9:-,=年:-=号P2-91号元P-1=0→元-0=+P2-P,=RP2-P1-号元2-=-7不同β的李萨如图三、实验内容1.调整仪器使系统处于最佳工作状态，换能器共振频率约为35KHz
叠加后合成波为： 的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置： 的各点振幅最小，称为波节，对应的位置： 因此只要测得相邻两波腹（或波节）的位置 Xn、Xn-1即可得波长。 2. 相位比较法测波长 从换能器 S1 发出的超声波到达接收器 S2，所以在同一时刻 S1与 S2处的波有 一相位差： 其中λ是波长，x 为 S1和 S2之间距离)。因为 x 改变一个波 长时，相位差就改变 2π。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。 不同ϕ 的李萨如图 三、 实验内容 1．调整仪器使系统处于最佳工作状态，换能器共振频率约为 35KHz
2.用驻波法（共振干涉法）测波长和声速。3.用相位比较法测波长和声速。注意事项1.确保换能器S1和S2端面的平行。2.信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率f.保持一致。四、实验仪器本实验的主要仪器有：示波器、信号发生器和声速仪。00:00:19BRE实物照片仿真实验中的仪器1.超声声速测定仪：超声声速测定仪的主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。压电瓷换能器可以把电能转化为声能，作声波发射器用，也可以把声能转化为电能作声波接收器之用。家664实物照片仿真实验中的仪器使用方法：左击或右击换能器，可以改变换能器面与水平方向的夹角。按下右边换能器的拖动，可以改变两个换能器之间的的距离。点击或按下窗体中上部的微调按钮，可以缓慢改变两个换能器之间的距离。2.示波器：
2．用驻波法（共振干涉法）测波长和声速。 3．用相位比较法测波长和声速。 注意事项 1．确保换能器 S1 和 S2 端面的平行。 2．信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率 f0保持一致。 四、 实验仪器 本实验的主要仪器有：示波器、信号发生器和声速仪。 实物照片 仿真实验中的仪器 1. 超声声速测定仪： 超声声速测定仪的主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。压电陶 瓷换能器可以把电能转化为声能，作声波发射器用，也可以把声能转化为电能， 作声波接收器之用。 实物照片 仿真实验中的仪器 使用方法： 左击或右击换能器，可以改变换能器面与水平方向的夹角。按下右边换能 器的拖动，可以改变两个换能器之间的的距离。点击或按下窗体中上部的微调按 钮，可以缓慢改变两个换能器之间的距离。 2. 示波器：
双击实验桌上示波器小图标弹出示波器的调节窗体，在示波器调节窗口上可以对示波器进行调节、操作。实物照片仿真实验中的仪器Iy39383534t3233.3115-30E292812272511s0o212224262091314161817实验中示波器调节界面功能及其用法介绍：1.主机电源（9）电源开关（POWER）将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源接入，按电源开关，以接通电源。仿真实验中使用方法：点击进行打开和关闭进行切换，（8）电源图标（2）辉度旋钮（INTENSITY）顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。接通电源之前将该旋钮逆时针方向旋转到底。仿真实验中使用方法：单击左键或右键进行调节。（4）聚焦旋钮（FOCUS）
双击实验桌上示波器小图标弹出示波器的调节窗体，在示波器调节窗口上 可以对示波器进行调节、操作。 实物照片 仿真实验中的仪器 实验中示波器调节界面 功能及其用法介绍： 1．主机电源 （9）电源开关（POWER） 将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源接入，按电源开关，以接 通电源。仿真实验中使用方法：点击进行打开和关闭进行切换。 （8）电源图标 （2）辉度旋钮（INTENSITY） 顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。接通电源之前将该旋钮逆时针方向旋 转到底。仿真实验中使用方法：单击左键或右键进行调节。 （4）聚焦旋钮（FOCUS）
用亮度控制钮将亮度调节至合适的标准，然后调节聚集控制钮直至轨迹达到最清晰的程度，虽然调节亮度时聚集可自动调节，但聚集有时也会轻微变化。如果出现这种情况，需重新调节聚集。仿真实验中使用方法：单击左键或右键进行调节。（5）光迹旋转旋钮（TRACEROTATION）由于磁场的作用，当光迹在水平方向轻微倾斜时，该旋钮用于调节光迹与水平刻度线平行。（45）显示屏仪器的测量显示终端。数据（1）校准信号输出端子（CAL）提供1kHz土2%，2VP-P土2%方波作本机Y轴、X轴校准用。2.垂直方向部分（13）通道1输入端[CHIINPUT（X）］该输入端用于垂直方向的输入。在X-Y方式时输入端的信号成为X轴信号。（17）通道2输入端[CH2INPUT（Y）］和通道1一样，但在X-Y方式时输入端的信号仍为Y轴信号。（11）、（12）、（16）、（18）交流一直流一接地耦合选择开关（AC一DC一GND）选择输入信号与垂直放大器的耦合方式交流（AC）：垂直输入端由电容器来耦合。接地（GND）：放大器的输入端接地。直流（DC）：垂直放大器的输入端与信号直接耦合。仿真实验中使用方法：单击AC-DC按钮进行AC和DC方式切换，接地按钮按下为接地，弹出为非接地。（10）、（15）衰减器开关（VOLTS/DIV）用于选择垂直偏转灵敏度的调节。如果使用的是10：1的探头，计算时将幅度×10。仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键点击进行逆时针旋转。（14）、（19）垂直微调旋钮（VARIBLE）垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度，此旋钮在正常情况下应位于顺
用亮度控制钮将亮度调节至合适的标准，然后调节聚集控制钮直至轨迹 达到最清晰的程度，虽然调节亮度时聚集可自动调节，但聚集有时也会轻微 变化。如果出现这种情况，需重新调节聚集。仿真实验中使用方法：单击左 键或右键进行调节。 （5）光迹旋转旋钮（TRACE ROTATION） 由于磁场的作用，当光迹在水平方向轻微倾斜时，该旋钮用于调节光迹 与水平刻度线平行。 （45）显示屏 仪器的测量显示终端。 数据（1）校准信号输出端子（CAL） 提供 1kHz±2%，2 VP-P±2%方波作本机 Y 轴、X 轴校准用。 2．垂直方向部分 （13）通道 1 输入端[CH1 INPUT（X）] 该输入端用于垂直方向的输入。在 X-Y 方式时输入端的信号成为 X 轴 信号。 （17）通道 2 输入端[CH2 INPUT（Y）] 和通道 1 一样，但在 X-Y 方式时输入端的信号仍为 Y 轴信号。 （11）、（12）、（16）、（18）交流—直流—接地耦合选择开关（AC—DC—GND） 选择输入信号与垂直放大器的耦合方式 交流（AC）：垂直输入端由电容器来耦合。 接地（GND）：放大器的输入端接地。 直流（DC）：垂直放大器的输入端与信号直接耦合。 仿真实验中使用方法：单击 AC-DC 按钮进行 AC 和 DC 方式切换，接地按 钮按下为接地，弹出为非接地。 （10）、（15）衰减器开关（VOLTS/DIV） 用于选择垂直偏转灵敏度的调节。如果使用的是 10：1 的探头，计算时 将幅度×10。仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键点击进 行逆时针旋转。 （14）、（19）垂直微调旋钮（VARIBLE） 垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度，此旋钮在正常情况下应位于顺