大学物理实验报告（清华大学）声速测量实验报告.docVIP

清 华 大 学 实 验 报 告 系别：机械系 班号：机械72班 姓名：车德梦 （同组姓名： ） 作实验日期 2008年 11月 19日 教师评定： 实验2.10声速测量 一、实验目的 （1）了解声波在空气中传播速度与其他状态参量的关系； （2）了解超声波产生和接受的原理，学习一种测量空气中声速的方法，加深相位的概念。 二、实验原理 1.声波在空气中的传播速度 在理想气体中声波的传播速度为 式中为比热容比，即气体定压比热容预定容比热容的比值，是气体的摩尔质量，是绝对温度，为普适气体常数。由上式可见，声速和温度有关，又与摩尔质量及比热容比有关，后两个因素与气体成分有关。因此，测定声速可以推算出气体的一些参量。利用上式的函数关系还可制成声速温度计。 在正常情况下，干燥空气成分按质量比为： 它的平均摩尔质量为。在标准状态下，干燥空气中的声速为。在室温下，干燥空气中的声速为 式中。由于空气实际上并不是干燥的，总含有一些水蒸气，经过对空气平均摩尔质量和比热容比的修正，在温度为、相对湿度为的空气中，声速为 式中为室温湿空气的饱和蒸气压，可从饱和蒸气压和温度的关系表中查出；为大气压，取即可；相对湿度可从干湿温度计上读出。有这些气体参量可以计算出声速，故上式可作为空气中声速的理论计算公式。 2. 测量声速的实验方法 声波的传播速度与声波频率及波长的关系为 测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可通过测量声源的振动频率得出，剩下的任务就是测量声波波长，也就是本实验的主要任务。 产生和接受长生波是用超声波传感器，其外形及内部结构如图所示。它是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属外壳及金属网构成。其中压电陶瓷镜片是传感器的核心，他是利用压电体的压电效应产生超声波。锥形辐射喇叭是发射和接受超声波的能量比较集中，使发射和接受超声波有一定的方向角。本实验中压电陶瓷镜片的振荡频率为，相应的超声波波长约为几毫米。又与它的波长短、定向发射性能好，波长可用相位法测出。 波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，如果其振动状态相同（同相）或者说其相位差为的整数倍，这是两点间的距离应等于波长的整数倍，即 （为一正整数） 利用这个公式可精确地测量波长。 当在发射器的声波场中沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置，使得接收器接收到的电信号与发射器的激励电信号同相。继续移动接收器，直到接受的信号再一次和发射器的激励电信号同相时，移过的这段距离必然等于声波的波长。为了判读相位差并且测定波长，可以利用双线示波器直接比较发射器的信号和接收器的信号，同时沿传播方向移动接收器寻找同相点。也可以利用利萨如图形在两个电信号同相或反相时椭圆退化为右斜或左斜直线来判断，其优点是斜直线情况判断相位差最为敏锐。 三、实验仪器描述 主要仪器包括声速测量仪、函数信号发生器和示波器。 （1）声速测量仪。 它可分为三部分。第一、二部分为声波发生器和超声波接收器。当一交变正弦电压信号加在发射用的压电超声波传感器上时，由于压电晶片的逆压电效应，激发起机械振动，从而发生超声波。超声波接收器与超声波发射器用的是同一种结构的超声波传感器，只是两种压电晶片的性能有所差别，接收型压电晶片内机械能转变为电能的效率高，而发射型则相反，电能转变为机械能的效率高。 第三部分为数显游标卡尺，其机械部分与普通游标卡尺一样，但它有一个位移传感器及其液晶显示器，游标移动时，能直接显示其移动距离。 （2）函数信号发生器。 它是一种多功能信号发生器，可以输出正弦波、方波、三角波三种波形的交变信号，信号频率范围为10Hz~2000kHz，既可分档调节，又可连续调节，连续调节又分粗调和细调两档，需要很准确的频率时，可用频率微调。信号幅度可连续调节，最大可到10V，还有两个衰减档，使输出幅度可小到mV量级。 （3）示波器。 四、实验内容与步骤 （1）连接电路，将函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端5及示波器的通道1相连，将超声波接收器的输出端8与示波器的通道2相连。函数信号发生器置于正弦波输出，其频率范围置于100kHz档，输出幅度调到峰值左右。接线时注意，红色为信号线，黑色为地线，不要接错。 （2）用示波器观察加在声波发射器上的电信号与超声波接收器输出的电信号，先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右，然后细调频率，使接收器输出信号最大，并记录下此频率，即为超声波频率。实验过程中信号频率若有改变，记下最大最小值，最后取平均值。观察时，可设法判断是否确实由超声波由发射器发出经由空气传播到了接收器，并研究环境因素对声波传播的影响。例如，可