声波速度的测量实验报告.docxVIP

声波速度的测量实验报告 　　大学物理实验超声波速测量实验报告一实验目的　　1.了解超声波的物理特性及其产生机制；　　2.学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据；　　3.测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数；　　4.并运用超声波检测声场分布。　　5.学习超声波产生和接收原理，　　6.学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。　　7.观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射　　二实验条件　　HLD-SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪　　三实验原理　　1、超声波的有关物理知识　　声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次声波、声波、超声波和特超声波，如下图。　　声波频谱分布图　　振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波：　　横波：质点振动方向和传播方向垂直的波，它只能在固体中传播。　　纵波：质点振动方向和传播方向一致的波，它能在固体、液体、气体中的传播。表面波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，介质表面的质点做椭圆的振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。　　板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，可分为SH波与兰姆波。　　超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特的特点：绕射现象小，方向性好，能定向传播；能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远，而且在液体里的衰减和吸收是比较低的；能在异质界面产生反射、折射和波形转换。　　2、理想气体中的声速值　　声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为　　V?rRT　　?(1)　　式中R为气体普适常量(R=/())，?是气体的绝热指数(气体比定压热容与比　　T为气体的热力学温度，?为分子量，定容热容之比)，若以摄氏温度t计算，则：T?T0?t　　T0?　　代入式(1)得，　　V?rR　　?(T0?t)rR　　?T0??tt(2)V0?T0T0　　对于空气介质，0℃时的声速V0=　　校准后声速公式为：m/s。若同时考虑到空气中的蒸汽的影响，　　V?331.(1?)(1?)m/s(3)T0p　　式中pw为蒸汽的分压强，p为大气压强。　　3、共振干涉法　　设有一从发射源发出的一定频率的平面声波，经过空气传播，到达接收器，如果接收面与发射面严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波相干涉形成驻波，反射面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离l，在一系列特定的距离上，媒质中出现稳定的驻波共振现象。此时，l等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出，在移动接收器的过程中，相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此，若保持频率v不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离(?/2)，就可以用V?v?计算声速。　　声压变化与接收器位置的关系：　　4、相位比较法　　发射波通过传声媒质到达接收器，所以在同一时刻，发射处的波与接收处的波的相位不同，其相位差?可利用示波器的李萨如图形来观察。?和角频率?、传播时间t之间有如下关系：　　???t　　同时有：　　??2?/T,t?　　，代入上式可求得声速V。　　?的确定用如下方法：根据l,??TVV　　??2?l/?　　当l?n?/2(n?1,2,3,...)时，得??n?。　　实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，可观察到相位的变化。而当相位差改变?时，相应的距离l的改变量即为半个波长。为精确测定波长的值，在实际的操作中要连续测多个相位改变?的点的坐标，再用逐差法算出波长?的值，根据波长和频率值可求出声速。　　行波法相位差图：　　5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射　　由于超声波具有波长短，易于定向发射及抗干扰等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速；并研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。　　6、声波的干涉和衍射　　双缝干涉实验装置如图1所示。对于不同的?角，如果从双缝到接收器的程差是零或波长的整数倍，就会产生相长干涉，因而观察到干涉强度的极大值；当程差是半波长的奇数倍时，干涉强度有极小值。因此，干涉强度出现极大值与极小值的条件如下：　　极大值：dsin??n?(4)极小值：dsin??(n?1)?(5)2　　式中，n为零或整数，d为二个缝中心位置的距离，?为声音的波长。　　图1　　衍射效应用超声波也可以观察到，采用1个单缝，如图2所示。