1、2023425214045声速测量声速的测量实验报告 一、实验名称：声速的测量 二、实验目的 1.了解声速的测量原理；2.掌握示波器和信号发生器的使用方法。 3.掌握逐差法处理数据 三、实验仪器 示波器，信号发生器、声速测量仪 四、实验原理 在弹性介质中，频率从20Hz到20kHz的振动所激起的机械波称为声波，高于20kHz，称为超声波，超声波的频率范围在之间。超声波的传播速度，就是声波的传播速度。超声波具有波长短，易于定向发射等优点，在超声波段进行声速测量比拟方便。 由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：，只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器
2、的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法共振干预法和行波法相位比拟法测量。 图1：超声波测声速实验装置图 图2：压电陶瓷换能器结构示意图 压电陶瓷换能器变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入局部用正弦电压信号驱动,通过逆压电效应使其产生振动,振动波通过输入和输出局部的机械耦合到输出局部,输出局部再通过正压电效应产生电荷,实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换,在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比,这具有体积小,质量轻,功率密度高,效率高,耐击穿,耐高温,不怕燃烧,无电磁干扰和电磁噪声,且结构简单、便于制作、易批量生产,在某些领域成为电磁变压器的理想
3、替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本、氖灯驱动器等。 1.驻波法测波长 由声源发出的平面波经前方的平面反射后，入射波与发射波叠加，它们波动方程分别是：叠加后合成波为：,求解可得 各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：各点振幅最小，称为波节，对应的位置：因此只要测得相邻两波腹或波节的位置、即可得波长。 2.相位比拟法测波长 从换能器发出的超声波到达接收器，所以在同一时刻与处的波有一相位差：其中l是波长，x为和之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。 图3：不同相位差对应的李萨如图型例如 五、实验内容 1.调整仪器使系统处于最正确工作状态，换
4、能器共振频率约为35KHz。 2.用驻波法共振干预法测波长和声速。 3.用相位比拟法测波长和声速。 本卷须知 1.确保换能器和端面的平行。 2.信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率保持一致。 六、数据处理 学生姓名:姚佳俊 学号:202331010818 指导老师:张怀作 实验时间:2023年 5 月 2 日 专业年级：石油工程2023级 1、选择适宜的超声波频率 信号发生器输出信号的频率Hz36500.0 2、利用驻波法测量波长和声速 表1. 利用驻波法测量波长数据表格 内容 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 移动磁鼓的位置增加Xn(mm) 51.18 55.86 60.42
5、65.22 69.62 74.32 79.02 83.68 88.34 92.92 移动磁鼓的位置减小Xn(mm) 51.20 55.88 60.44 65.24 69.64 74.34 79.04 83.70 88.36 92.94 平均值AvgXn(mm) 51.19 55.87 60.43 65.23 69.63 74.33 79.03 83.69 88.35 92.93 利用逐差法进行数据处理：表2. 利用逐差法处理数据表格 1 2 3 4 5 23.14 23.16 23.26 23.12 23.3 声波波长： 9.2784 声速： 338.66 3、用相位比拟法测波长和声速 表3.
6、 利用相位比拟法测量波长数据表格 内容 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 移动磁鼓的位置增加Xn(mm) 50.62 55.48 60.32 65.04 69.82 74.62 79.44 84.20 89.00 93.86 移动磁鼓的位置减小Xn(mm) 50.64 55.50 60.34 65.06 69.84 74.64 79.46 84.22 89.02 93.88 平均值AvgXn(mm) 50.63 55.49 60.33 65.05 69.83 74.63 79.45 84.21 89.01 24 利用逐差法进行数据处理：表4. 利用逐差法处理数据表格 1 2 3 4 5
7、 24.00 23.96 23.88 23.96 24.04 声波波长： 9.5872 声速： 349.93 计算相对误差：这里取空气温度为，那么理论声速约为。 声速测量值： 344.295 相对测量误差为：0.260629% 七、思考题 2023年11月26日中午，成都的天空传来三声巨响，几乎全市的人都听到了。随之传来了各种猜想，不过并没有地面爆炸的迹象。有传言说当时在试飞“歼-20战斗机，请解释此现象。 可能为飞机在突破音障时发出的音爆。当物体接近音速时，会有一股强大的阻力，使物体产生强烈的震荡，速度衰减，这一现象俗称音障。突破音障时，由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播，逐渐在物体的迎风面积累，最终形成激波面。在激波面上，声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时，会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声，称为音爆。 八、实验总结 通过各位老师的努力下，我认真地完成了此次实验，并了解声速的测量相关知识，同时还运用了驻波法和相位比拟法。 九：实验原始数据
