实验三 声速的测定 南京农业大学物理实验中心

一.实验目的 二.实验仪器 三.实验原理 四.实验内容与步骤 五.实验数据记录与处理 南京农业大学物理实验中心

一、 实验目的 1.了解什么是声速、超声速和次声速； 测量声速的意义； 2.学会测量声速的不同方法；

二、 实验器材 声速测试仪信号源 （1台) 声速测试仪 （1台） 信号连接线 （2根） 双踪示波器 （1台） 进出水皮管 （1根）

三、实验原理与仪器描述 1.超声波与压电陶瓷换能器 频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20KHz称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20-60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。 压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向(振动)换能器、径向(振动)换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器（图3-1）

图3—1纵向换能器结构简图

2．共振干涉法(驻波法)测量声速 假设，在无限声场中，仅有一个点声源Sl(发射换能器)和一个接收平面(接收换能器S2)。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个发射面(即接收换能器平面)，并且只产生一次反射。 在上述假设条件下，发射波( )。在接口S2处产生反射，反射波 ，信号相位与 相反。 与 在反射平面相交叠加，合成波束 。 由此可见，合成后的波束。在幅度上，具有随 呈周期变化的特性，在相位上，具有随 呈周期变化的特性。

图3—2 所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按 变化的特征。 主要实验装置及连线方法如图3—3、3—4和3—5所示，（双踪示波器参见实验九） 本实验采用SVX—5型声速测定信号源(频率范围l0kHz—45kHz，低频功率输出)； 图3—3 列出SVX—5声速测试仪信号源面板。电源开关在背面，按图3—5连接好连线，接通电源后，“测试方法”为“连续波”，“传播介质”为“空气”。

发射强度：用于调节输出信号的电功率（输出电压）； 接受增益：用于调节仪器内部的接受增益。 调节旋钮的作用是： 信号频率：用于调节输出信号的频率； 发射强度：用于调节输出信号的电功率（输出电压）； 接受增益：用于调节仪器内部的接受增益。 图3—2 换能器间距与合成幅度

图3—3 SVX—5综合声速测试仪信号源

图3—4 为声速测试仪，摇动摇手鼓轮，可以改变S1和S2间的距离，实际距离可从数显游标卡尺及摇手鼓轮上读取，测试槽中可以盛放各种流体，用于测试声音在流体中的传播速度。 图3—4 SV-DH声速测试仪

按图3—5 所示进行连接线，图中S1和S2为压电陶瓷换能器。S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千赫兹的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号，经过信号处理后，输入示波器。我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接受的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1与S2之间的区域内产生了波的干涉，形成驻波。

图3—5声速测试架、信号源和示波器连线图

我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况。移动S2位置(即改变S1与S2之间的距离)你从示波器显示上会发现当“在某些位置时振幅有最小值，根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间(或二相邻的振幅最小值的位置之间)的距离均为 。为了测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的改变S1和S2之间的距离。

示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间S2移动过的距离亦为 。超声换能器S2至Sl之间的距离的改变可通过转动螺杆的鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。在连续多次测量相隔半波长的S2的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。

3．相位法测量原理 由前述可知入射波 与反射波 叠加，形成波束 即： 即：对于波束： 由前述可知入射波 与反射波 叠加，形成波束 即： 即：对于波束： 由此可见，在经过 距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差(相移)为 。如图3-6所示。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长。

图3—6用李萨如图法观察相位变化

4．时差法测量原理 连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L／时间t 通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t，就可以计算出当前介质下的声波传播速度。

四、实验内容 1．仪器在使用之前，加电开机预热15min。 在接通市电后，连续波方式，选择的介 质为空气的初始状态。 2．信号源与测试架之间连接(如图3—5 所 示)。声速测试仪和声速测试仪信号源及 双踪示波器之间的连线按如图3—5 所示 进行连接。

行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的 接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到发 射换能器S1谐振频率点处时，才能较好的进行 3．测定压电陶瓷换能器的最佳工作点： 只有当换能器S1发射面与S2接收面保持平 行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的 接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到发 射换能器S1谐振频率点处时，才能较好的进行 声能与电能的相互转换，以得到较好的实验效 果。 。 。

按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率估计一下示波器的扫描时基t／diV进行调节，使在示波器上获得稳定波形。超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节声速测试仪信号源输出电压(10—15V之间)，调整信号频率(在25—45kHz)，观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处(34．5—37．5kHz之间)电压幅度最大，同时声速测试仪信号源的信号指示灯亮，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，记录频率Fn，改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重复调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率 。 。 。

4．干涉法／驻波法测量波长的步骤: 将测试方法设置到连续波方式。通过实验步骤的2、3以后，观察示波器，找到接收波形的最大值。然后，转动距离调节鼓轮，这时波形的幅度会发生变化，记录下幅度为最大时的距离 ，距离由数显尺上直接读出或在机械刻度上读出，再向前或者向后(必须是一个方向)移动距离，当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离 。即：波长 ，多次测定用逐差法处理数据。

5．相位法／李萨如图法测量波长的步骤: 将测试方法设置到连续波方式。通过实验步骤2、3后，观察示波器，转动距离调节鼓轮，观察波形为一定角度的斜线（参考图3—6），记录下此时的距离 ；距离由数显尺上直接读出或在机械刻度上读出，再向前或者向后(必须是一个方向)移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的的斜线，记录下此时的距离 。 即：波长入： 。

6．相位法／干涉法测量数据处理 已知波长 和频率 ，(频率由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。)则速 . 因声速还与介质温度有关，所以必要时请记下介质温度t℃。

7．时差法测量声速步骤 将测试方法设置到脉冲波方式。将S1和S2之间的距离调到一定距离(≥50mm)。再调节接收增益，使显示的时间差值读数稳定，此时仪器内置的定时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值 、 (时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)。移动S2，同时调节接收增益使接收波信号幅度始终保持一致。记录下这时的距离值和显示的时间值 、 。则声速 。

当使用液体为介质测试声速时，先在测试槽中注入液体，直至把换能器完全浸没，但不能超过液面线。然后将信号源面板上的介质选择键切换至“液体”，即可进行测试，步骤相同。

注意： (1)在测试槽内注入液体时请用液体进出通道； (2)在液体(水)作为传播介质测量时，严禁将液体 (水)滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将 液体(水)滴到数显尺杆和数显表头上请用70℃ 以下的温度将其烘干，即可使用； (3)应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件 被腐蚀；

8．声速测量值与公认值比较 (1)已知声速在标准大气压下与传播介质空气的温度 系为： m／s (2)液体中的声速 介 质 温度(℃) 声波速度(m／s) 海 水 普通水 菜籽油 变压器油 17.0 25.0 30.8 32.5 1510—1550 1497 1450 1425

五、维护保养和注意事项： a)仪器不使用时，应存放空气温度在0～35℃的 室内架子上；架子离地高度大于100mm； b)每次使用完毕后，用干燥清洁的抹布将测试 架及螺杆清洁干净； c)仪器应在清洁干净的场所使用，避免阳光直 接暴晒和剧烈颠震；

d)测试架体为有机玻璃，容易破碎，使用时应 谨慎，以防止发生意外； e)使用时应避免声速测试仪信号源的信号输出 端短路； f)当开机时受到外部强磁场干扰时，声速信号 源会产生死机现象，出现非法字符。此时请 按后面板左侧复位按钮键，进行复位。

六、思考题： 1．此仪器能测量固体中的声速吗？