实验报告_声速测量
/ Nankai University
实验报告：声速的测量
实验报告声速的测量
实验项目】
1.用共振干涉法测量空气中的声速
2?用相位比较法测量空气中的声速
3?时差法测量介质中的声速；
4?用反射法测量挡板的距离
实验仪器】
声速测量仪、FD-SV-D超声波测距综合试验仪、示波器
实验原理】
由于超声波具有波长短，易于定向发射、易被反射等优点。在超声波段进行声速测量的优点还在于超声波的波长短，可以在短距离较精确的测出声速。超声波的发射和接收一般通
过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应
来实现的。本实验采用的是压电陶瓷制成的换能器(探头)，这种压电陶瓷可以在机械振动
与交流电压之间双向换能。
声波的传播速度v与其频率和波长的关系为：
■二vf (1)
由(1)式可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。同样，传播速度亦可用
v 二L/t ②
表示，若测得声波传播所经过的距离L和传播时间t，也可获得声速。
1.共振干涉法
实验装置如图1所示，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以近
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
表面近似平行时，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，即
L=n 12n=0 , 1, 2, ?? (3)
时，S1发出的声波与其反射声波的相位在S1处差2n7： (n=1 , 2 ??…),因此形成共振。
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，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。从示波器上观察
到的电信号幅值也是极大值(参见图2)。
图中各极大之间的距离均为12 ,由于散射和其他损耗，各级大致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
2.相位比较法波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。沿波传播方向的任何两点同相位时，
这两点间的距离就是波长的整数倍。利用这个原理，可以精确的测量波长。实验装置如图1所示，沿波的传播方向移动接收器S2,接收到的信号再次与发射器的位相相同时，一国的距离等于与声波的波长。
同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号
它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信号的位相差有关，当两信
号之间的位相差为0或n时，椭圆变成倾斜的直线。
位相差「和角频率?，、传播时间t之间有如下关系：=1
一 2 TT
同时有，午,t=l/v, ?二Tv,（式中T为周期）
代入上式得：=岂
当1=^2 5=1，2, 3，…）时，可得僅n二。
由上式可知：当接收点和波源的距离变化等于一个波长时，则接收点和波源的位相差也正
好变化一个周期（即①=2 n）。
实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察到相位的变化。当相位差改变n时，
相应距离的改变量即为半个波长。根据波长和频率即可求出波速。
3.时差法
用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。由信号源提供一个脉冲信号。经t时间到
达L处的接收器，根据关系v=L/t ,即可计算出声速。
4.超声测距
用反射法，就要求使用接收器与发射器在同一位置，利用公式：
L=vt=vT/2
T为发射到接收的时间差。
实验步骤】
1.共振干涉法
打开实验仪与示波器
实验仪调整为相位测量模式。
信号源：一接口接超声发生器、一接口接示波器的1通道（CH1）
信号接收放大：输入端接超声接收器、输出端接示波器的2通道（CH2）观察CH2的信号，按下POSITION，使得信号置中。
界面上显示有频率值，记下该频率值f。
只显示CH2的信号，界面上显示有CH2的最大电压值。
调节游标尺，使得读数归零。
将游标尺调节到最近的位置，获得最大的信号电压值，记下此处的位置。
继续移动游标尺，每到一个信号电压最大处，记录位置，总共记录20个位置。使用逐差法，获得半波长，进而获得声速。
2.相位比较法
仍旧使用相位测量模式，游标尺归零
显示CH1、CH2 ,按下DISPLAY,将模式调节为XY模式，此时显示李萨如图形游标尺开始移动。
每到一处李萨如图形为一斜线，就记录一次位置。
使用逐差法，获得半波长，进而获得声速。
3?时差法
切换为时差法测量模式。
连续移动接收端游标尺，记录接收端的位置L,同时记录主机液晶屏上显示的时间t，取多个数据，进行处理。
绘制直线，斜率就是所测声速V。
4?反射法测量挡板距离。
将利用磁钢将挡板吸附在移动接收端之前。
将游标尺上的接收端的接口拔出，换到发生器一侧的接收接口。
进入超声波测距模式，移动挡板，同时记录挡板位置L与液晶屏上的显示距离I,比较两者的数值。
实验数据】
频率：f=40.0001kHz
5
声速：v =40.0001 8.860 =354.4 m/s