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实验十一声速的测定

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声波是一种在弹性媒质中的纵波。超声波是频率为2×10~10Hz的机械波，它具有

波长短，能定向的优点。超声波在测距，定位测液体流速，测材料弹性摸量，测气体温

度瞬间变化等方面的应用中，超声波速度都具有重要的意义。

[实验目的]

1、了解声波在空气中的特征。

2、了解声—电换能器的功能。

3、熟悉示波器，信号发生器的使用方法。

4、加深对波的﹑﹑驻波﹑振动合成等理论知识的理解。

[实验仪器]

低频信号发生器（带频率指示），示波器，声速测试仪。

[实验原理]

1、声速测试仪

超声波声速测试仪主要部件由两个压电陶瓷换能器和一个精密丝杆导轨移动装置组成。

压电换能器可以把电能转换为声能，作超声波器用，也可以把声能转换为电能，作超声

波用。压电换能器有一谐振频率f，当外加电信号的频率等于系统的谐振频率f时，

00

压电换能器产生机械谐振，这时产生的声波最强。超声声速测试仪如图11－1所示，信号发

生器输出的正弦电压加在换能器S上产生声波，换能器S上接收声波，并将声压转换

12

成电信号输入到示波器，当系统处于谐振时，示波器上显示的信号强度最大，换能器

S与接收换能器S之间的距离可以从导轨上的标尺读出。

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图11－1、超声波声速测试仪示意图

2、驻波法测波速

如果把超声波换能器与接收换能器“面对面”放置，两者之间距离是L，这时每个换能

器都相当于一个不完全的反射器，于是在它们之间就能够建立起驻波。当每个换能器都靠近

波腹时，驻波的振幅最大。当两者的距离是半波长的整数倍时，就会出现这种情况，此时有：



Lnnv

(11-1)

22f

通

（1）式中n是整数。过改变距离观测振幅的周期变化，可求出声速：

L

v2f(11-2)

n

3、位相变化法测波速

如果把输入换能器的正弦信号与示波器的垂直（Y轴）输入端（Y轴输入）连接，

同时把接收换能器检测到的声—电转换信号与示波器的水平（X轴）输入端相接，这两个信

号的位相差正比于两个换能器之间的距离。如果调整接收换能器的位置，恰好使两个信号同

相位，然后移远（或移近）接收换能器，直到两个信号再度同相位，则接收换能器移过的距

离正好是一个波长。根据波长与波速的关系有

4、理论计算

vf(11-3)

声波在空气中的速度与压强，温度，湿度等有关。一般情况下干燥的空气中可用下

式进行计算

v(11-4)

0

式中r是空气定压比热容和定容比热容之比（r=C/C）；P和分别为没有声波时的压强和

pvoo

密度。ρ与温度有