大学物理实验报告声速的测量Word格式文档下载.docx
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1.共振干涉法
实验装置如图1所示，图中和为压电晶体换能器，作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出以近似的平面声波；
为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。
当和的表面近似平行时，声波就在两个平面间来回反射，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即
（3）
时，发出的声波与其反射声波的相位在处差（n=1，2……），因此形成共振。
因为接收器的表面振动位移可以忽略，所以对位移来说是波节，对声压来说是波腹。
本实验测量的是声压，所以当形成共振时，接收器的输出会出现明显增大。
从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值（参见图2）。
图中各极大之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各级大致幅值随距离增大而逐渐减小。
我们只要测出各极大值对应的接收器的位置，就可测出波长。
由信号源读出超声波的频率值后，即可由公式
（1）求得声速。
2.相位比较法
波是振动状态的传播，也可以说是位相的传播。
沿波传播方向的任何两点同相位时，这两点间的距离就是波长的整数倍。
利用这个原理，可以精确的测量波长。
实验装置如图1所示，沿波的传播方向移动接收器，接收到的信号再次与发射器的位相相同时，一国的距离等于与声波的波长。
同样也可以利用李萨如图形来判断位相差。
实验中输入示波器的是来自同一信号源的信号，它们的频率严格一致，所以李萨如图是椭圆，椭圆的倾斜与两信号的位相差有关，当两信号之间的位相差为0或时，椭圆变成倾斜的直线。
3.时差法
用时差法测量声速的实验装置仍采用上述仪器。
由信号源提供一个脉冲信号经发出一个脉冲波，经过一段距离的传播后，该脉冲信号被接收，再将该信号返回信号源，经信号源内部线路分析、比较处理后输出脉冲信号在、之间的传播时间t，传播距离L可以从游标卡尺上读出，采用公式
（2）即可计算出声速。
4.逐差法处理数据
在本实验中，若用游标卡尺测出个极大值的位置，并依次算出每经过个的距离为
这样就很容易计算出。
如测不到20个极大值，则可少测几个（一定是偶数），用类似方法计算即可。
【实验数据记录、实验结果计算】
实验时室温为16℃，空气中声速的理论值为
1．共振干涉法
频率
编号:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
L（mm）
50.00
52.58
54.41
57.46
59.63
62.40
64.46
67.37
70.60
72.16
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
74.01
77.00
79.01
81.84
83.80
86.92
88.78
91.66
93.31
96.49
使用逐差法进行数据处理，处理过程由C++程序完成，程序如下
#include<
iostream>
cstdio>
usingnamespacestd;
constintn=10;
constdoublef=35.617;
constdoubleL[2*n]={50.00,52.58,54.41,57.46,59.63,62.40,64.46,67.37,70.60,72.16,74.01,77.00,79.01,81.84,83.80,86.92,88.78,91.66,93.31,96.49};
doubleLMD=0;
intmain（）
{
for（inti=0;
i<
n;
i++）LMD+=（L[n+i]-L[i]）*2/n/n;
printf（"
v=%.3lf\n"
LMD*f*2）;
system（"
pause"
）;
return0;
}
此程序运行结果为：
v=344.461m/s;
2．相位比较法
54.82
64.41
74.02
83.74
93.40
103.06
112.90
122.36
131.86
141.09
constintn=5;
constdoublef=35.618;
constdoubleL[2*n]={54.82,64.41,74.02,83.74,93.40,103.06,112.90,
122.36,131.86,141.09};
{
i++）LMD+=（L[n+i]-L[i]）/n/n;
LMD*f）;
v=343.187m/s
3．时差法测量空气中声速
编号
T/μs
400
413
428
442
458
472
487
501
L/mm
56.80
55.86
66.81
71.85
76.82
81.83
86.81
91.86
计算机作图如下：
由于第二组数据，存在较大误差，因此将其去掉。
计算机计算得 v=344.41m/s
94
97
101
104
107
111
114
117
105.24
110.02
115.00
120.05
125.04
130.06
135.01
140.05
4．时差法测量液体中声速
计算机作图如下：
计算机计算得 v=1449.43m/s
【分析讨论】
1关于误差
其实做这个实验需要极其精细的操作。
为了得到更精确的结果，不仅要每个人时刻集中精力观察仪器，操作仪器，而且需要两个人的默契配合。
当然，还是有一些最基本的需要注意的地方，如操作距离旋钮时，旋转最好不要太快，接近读数点时要放慢速度，最好不要逆向旋转旋钮；
示波器的图像最好调节到合适的大小位置，以便观察和减小误差。
观察李萨如图像时应选取水平或垂直线段中的一者为标准，否则无法判断移动的是波长还是半波长。
此时应将图像尽量放大，因为观察重合时图像较小会导致误差很大。
当然最终测得的结果还是有一定的误差，但误差已经很小了。
观察测得得空气中声速发现几种测量方法的测量结果都偏大，一个重要的原因就是空气中含有水蒸汽及其它杂质，声音在这些物质中的传播速度都要比在空气中的传播速度大，所以最后的测量结果都偏大。
而使用相位法测得的结果与真实值最接近，因为这个方法观察图像时，是在图像变化到重合时读数，判断图像重合成直线是相对容易的，所以误差会较小。
【思考题】
1、为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测定？
答：
因为在谐振频率下，反射面之间的声压达极大值。
这样从示波器上观察到的电压信号幅值为最大，从而更利于观察。
2、要让声波在两个换能器之间产生共振必须满足那些条件？
1、两个换能器的发射面与接受面互相平行。
2、两个换能器间的距离为半波长的整数倍。
3、试举出三个超声波应用的例子，他们都是利用了超声波的那些特性？
比如超声波定位系统，超声波探测，超声波洗牙。
他们利用了超声波的波长短，易于定向发射，易被反射等特性。
4、在时差法测量中，为何共振或接受增益过大会影响声速仪对接受点的判断？
因为当共振或接受增益过大时，接受器将提前接收到信号，这样测得的时间
将偏小，导致最后计算出的声速偏大。
【个人想法】
1.我想这个实验测声速的方法可以有更广阔的用处.对于前两种方法,可以测得一些以波形态传播的物质的速度.如果仪器可以极其精密,就可测得光速.
对于第三种方法,可以用来测量光速.在发射端接收端都安装平面镜,可以记录光走充分大个来回的时间,让发射端和接收端记录光走的来回数,然后用时差法算得光速.
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