课程简介

规章制度

教学大纲

实施细则

教学计划

实验项目

·当前位置:首页实验教学 → 实验项目



声速的测量

教学视频 

【实验目的】

★基本要求 ◆提高要求
1、学习用共振干涉和相位比较法测量空气中的声速;
2、进一步熟悉示波器、双踪示波器的使用方法;熟悉电脑通用计数器、晶体管毫伏表等的使用方法。


1、设计水中声速测量的实验方案;
2、设计时差法测量声速的实验方案;
3、设计固体中声速的测量方案;
4、设计可闻声波用扬声器做换能器的系列实验;
5、设计观测声学多普勒效应的实验方案。

【实验仪器】

声速测量仪;单踪示波器;双踪示波器;信号发生器;电脑通用计数器(频率计);晶体管毫6表;三通;温度计等。

【实验原理】

关于声波

1. 声波是一种在弹性介质中传播的机械纵波。

2. 可闻声波的频率范围是,低于的称为次声波,高于的称为超声波。

3. 超声波具有波长短、可定向的优点。

压电换能器

1. 压电换能器的作用是实现电能与机械能的相互转换。

2. 压电效应:压电换能器在外加的机械振动下产生周期性的电压。

3. 逆压电效应:压电换能器在外加的周期性电压下产生振动。

4. 工作频率:压电换能器只会在外加信号的激励频率等于其固有频率时工作。

基本实验原理

1. 波动效应存在着波速、波长、频率之间的关系式,其中为波速,为频率,为波长。

2. 只要测出频率和波长即可求得波速,这就是本实验的基本原理。

3. 本实验中频率有信号发生器给出,关键之处就成了测量波长。

4. 两种不同的方法测量波长,分别是共振干涉法和相位比较法。

共振干涉法的原理

1. 两列同频率的、同振幅的、沿相反方向传播的简谐波将叠加成为驻波。

2. 整列驻波的每一点都做同频率的简谐振动,但各点的振幅不相同。振幅为0的点称为波节,振幅最大的点称为波腹。相邻波节之间的距离是半个波长,相邻波腹之间的距离也是半个波长。

3. 声速测量系统有它的固有振动频率。当声波频率与该系统的固有振动频率一致时,测量系统将会与声波发生共振。此时压电换能器接收到的信号最为强烈。

4. 有驻波理论和测量系统的边界条件可知,当声波发射器和接收器的距离发生改变时,测量系统将建立一系列的驻波共振态,且对于每两个相邻的驻波共振态,发声器与接收器的间距的改变是

5. 根据上面的特性,我们可以通过示波器观测驻波共振态,同时测量相邻驻波共振态的间距,从而测出声波的波长。

相位比较法的原理

1. 在波传播的方向上,任意两点之间都存在相位差。发声器和接收器之间就存在相位差。

2. 当发声器与接收器之间的距离改变时,他们的相位差也会相应的改变。他们之间存在固定的关系,即当间距改变一个波长时,相位差改变

3. 根据上述特性,我们可以将发声器和接收器的信号一同接入示波器,观察他们叠加成的李萨如图像,确定相位差的变化。并根据相位差的变化测量相应的间距改变,从而测出声波的波长。

【实验内容与步骤】

1. 检查仪器的完整性:声速测量仪一台,示波器一台,信号发生器一台,信号放大器一台。

2. 首先由共振干涉法测量空气中的声速。

3. 依照书中的接线图接好电路,打开信号发生器、信号放大器、示波器,并调好他们。注意信号发生器的频率应放在

4. 将发声器和接收器的间距调节到左右,调节信号发生器的频率,使观测到的信号的幅值最大,此时信号发生器的频率等于压电换能器的工作频率。记录下此时的频率

5. 增加发声器和接收器的间距,观察示波器的屏幕,当信号幅值达到极大时,记录下发声器的位置。然后继续移动发声器,当信号达到第二个极大之时,记录下发声器的位置。以此类推,记录下12组数据。

6. 读取室温。

7. 再用相位比较法测量水中的声速。

8. 将水槽注水,注意水应该完全淹没换能器,但不要过多。改接线路。改变信号发生器的频率()。

9. 微调信号发生器,使其频率与压电换能器的工作频率一致。记录下此时的频率

10. 按下示波器上的旋钮,使屏幕上出现李萨如图像。

11. 移动发声器,使李萨如图像成一条正的或负的斜率的直线。记录下此时发声器的位置。然后移动发声器,直到出现于刚才相同的李萨如图像,记录下发声器的位置。以此类推,记录下12组数据。

12. 实验完毕,整理仪器。

【数据记录和处理】

(记录相关数据,这里略)

【思考与讨论】

1. 为什么需要在驻波系统共振状态下进行声速的测量?

 

2. 用驻波共振法(即共振干涉法)测声速时,在改变间距的过程中,示波器的图形有时极大,有时极小,说明极大或极小时气柱处于什么状态?

 

3. 能否用驻波共振法(靠移动)测图15-2的分布曲线?为什么?