空气中声速的测定 朱林彦 太原理工大学
一、声波的基本知识 1、横波与纵波；超声波； 2、理想气体中的声速值 式中B是气体的体变弹性模量； 是气体密度； ，有水蒸气时应予修正： 式中P水是水蒸气的分压强。
3、位移波与声压波； 4、驻波的形成； 5、不同介质界面上机械波耦合作用，特 性阻抗； 6、增强耦合效率的措施： ① 调整到共振频率； ② 采用变幅杆与增强片。
声波在生活和科技中的应用 1、信息交流（助听器）； 2、地震探矿，地震预报（利用地震波中纵波与横波波速的不同）； 3、医学应用：B超与彩超（利用人体不同结构中声速的不同）； 4、无损检测（利用两种不同介质表面对声波的反射）； 5、海洋应用（声呐）：鱼群探测，海底地貌，军舰与潜艇； 6、液位检测，倒车雷达。
二、预 习 提 要 1、 压电换能器的工作原理 2、共振干涉法和相位比较法测声速的原理 3、示波器的调整与使用 4、逐差法处理数据的方法 5、设计待测量的数据记录表格
三、实验要求与目的 1、了解超声压电换能器的结构和工作原理； 2、 熟悉示波器和低频信号发生器的使用； 3、用共振干涉法和相位比较法测量空气中的 声速。 4、学会用最小二乘法或逐差法处理数据，并对结果的不确定度进行分析。
四、实 验 装 置 超声声速测定仪 共振干涉法实验装置 频率计 示波器 Y 信号发生器 S1 S2 发射换能器 接收换能器 信号发生器 S1 S2 共振干涉法实验装置 （相位比较法只需将信号发生器输出的信号加在示波器的X端）
传感器内部结构 压电陶瓷片 电输入或输出端 铝外壳
一通道 增益调节 时基扫描 二通道 增益调节 显示屏 辉度 聚焦 开关 第一通道 第二通道
信号发生器 波形选择 开关 频率调节 频率范围选择 信号输出
五、实 验 原 理 （一）、超声压电换能器的工作原理 1、压电效应与电致伸缩效应（逆压电效应）； 2、压电陶瓷换能器的谐振频率f0的调整与测量； 3、超声声速测定仪介绍。
（二）、声速测量的基本方法 1、 共振干涉法（驻波法） p 波腹 L 干涉而成驻波 波节 S1发射 S2反射 L S2表面声压与其位置的关系
1、 共振干涉法（驻波法） 位移波 S2 S1 声压波
1、 共振干涉法（驻波法） 结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为
1、 共振干涉法（驻波法） x y p 声波传播中的位移波与声压波 •
2、 相位比较法（行波法） ：传播时间； ：角频率； ：相位差；
3、相位比较法（利萨如图形法） 接X通道, 接Y通道，移动 得到如下李萨如图形： 结论：每次出现重复图形 移动的距离为
4、时基脉冲法（时差法） 时差法波形图
5、超声 光栅法
5、超声光栅法
5、超声光栅法
六、实 验 内 容 按实验装置图接线，使发射头和接收头的端面尽量平行； 共振频率，调整函数发生器的输出频率，使接收头输出的电信号幅度最大； 共振干涉法测波长，记录示波器上波形相继出现10个极大值所对应的接收头的坐标； 相位比较法测波长，记录示波器上图形相继出现10个相同李萨如图形时所对应的接收头的坐标。
七、数据记录与处理 1.逐差法计算波长 和 , 得到超声波速度 及其不确定度 。 2.最小二乘法处理数据，得到波长 和 , 1.逐差法计算波长 和 , 得到超声波速度 及其不确定度 。 2.最小二乘法处理数据，得到波长 和 , 计算得到超声波速度 及其不确定度 。
八、注意事项 1. 使用过程中应避免输出短路。 2. 为保证性能稳定，应预热10分钟后再使用。 3. 调节仪器旋钮要轻缓，以免损坏。 4. 信号发射器的信号输出幅度不要过大，避免仪器过热而损坏。 5. 使用游标尺测量移动距离时，必须轻而缓慢地调节，手勿压游标尺。
八、注意事项 6. 实验中S2的测量必须是连续进行的,决不可进行跳跃式测量。 7. 信号源电源开关打开后，S1与S2发射面和接收面要保持相互平行并S1与S2间距必须大于3cm。实验时要使函数信号发生器的输出频率等于换能器的谐振频率，并且在实验过程中保持不变。
九、思 考 题 1. 形成驻波的条件是什么？两压电换能器的端面为什么要平行？ 2. 声速测量中共振干涉法、相位法、时差法有何异同？ 3. 为什么要在谐振频率条件下进行测量？如何调节和判断测量系统是否处于谐振状态？ 4. 相位比较法测量声速时，选择什么样的李萨如图形进行测量？为什么？
谢 谢