测定媒质中的声速实验报告(北大).docx
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1、测定媒质中的声速实验目的(1)了解位移驻波和声压驻波的概念。(2)学习测定空气中声速的原理和方法。(3)测定空气和水中的声速(4)熟练使用示波器和信号发生器实验仪器仪器名称分度值SW-I型声速测定仪0.01mmYB1603P型信号发生器TDS1001B-SC型读出示波器0.02V气压计0.05mmHg温度计1干湿球湿度计2%光具座超声波发生器He-Ne激光器卷尺三通接头、信号线若干1mm实验原理假设空气中声速为v,声波波长为,振动频率为f,则v=f如果空气中一个平面状声源沿与平面垂直的x方向做角频率为,振幅为a的简谐振动,便形成纵波,如果在声波行进中遇到一个也垂直于 x的刚性平面,纵波便会发生
2、反射,与入射波叠加形成驻波。设声源所在位置为原点,坐标为 x的空气质点,它的位移可以表示为=asink(l-x)sinklcost k=2式中k为波数,l为声源和刚性平面的距离。定义sinkl-x=1的地方为波腹,振幅最大。定义sinkl-x=0的地方为波节,振幅最小。两相邻波腹或波节之间的距离为半波长2三种测量方法:1. 测量声压的周期性变化(驻波法)由声压理论,可以推出p=0vasinkl-x+2sinkl将空气质点的位移驻波和声压驻波两者的表达式相比较,则易知,空气质点为波节的地方对应声压驻波为波腹,空气质点为波腹的地方对应声压驻波为波节。反之亦然。进一步推得:pl=0vasinkl可知
3、当l改变时,振幅也发生改变,当其连续变化,将在极大值和极小值之间周期性变化。即:pl+2=pl按此原理可间接测量声速。2. 相位法设声源发射的平面平行波为=acost-kx由声压公式推得p0=-0vasintpl=-0vasint-kl即p(l)比p(0)相位落后kl分别将声源和接收器两处的电压信号接示波器的两个通道CH1和CH2,并按下 X-Y 键,选择X-Y模式,则在显示屏上将出现李萨如图形。当l改变一个波长时,李萨如图形便恢复原状,利用此原理可间接测量声速。(注意第一种方法是改变半个波长,这里是一个波长)3. 利用声波在理想气体中传播速度与气体状态参量的关系声速公式:vm/s=331.4
4、5(1+T0)(1+0.3192pwp)其中pw为水蒸气的分压强,p为大气压强,为摄氏温度,T0为273.15K声速测定仪的主要部件为两只相同的压电陶瓷换能器。其功能分别是将电能转化为声能和将声能再转化成电能。测定空气中和水中声速使用不同的换能器,其谐振频率分别在30-50HZ和200-300HZ。声光效应:当超声波在介质传播时将引起介质的弹性应变,这种应变在时间和空间上具有周期性,并且导致介质的折射率也发生相应的变化,当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象,这就是声光效应。本实验使用的超声波发生器工作于MHz量级。超声波在传播时,被水槽壁反射形成驻波,此时,水槽中的液体就等效为液体光栅。
5、当平行光垂直通过光栅时就会出现各级衍射光,满足光栅方程:sin=ks其中是衍射角,k是衍射级数,是光波波长,s是超声波波长。 水中超声波声速vs=fs实验步骤1. 用第一种方法测量声速(1)按图接好电路,调节两换能器端面平行,然后锁定(2)测定换能器的谐振频率,使两换能器有适当距离,功率函数发生器有适当的输出电压,调节示波器,使荧光屏上出现稳定的,大小适当的正弦波图形,改变信号发生器频率,并略微改变接收端位置,使正弦波有最大振幅,此时信号的频率即换能器的谐振频率f0,使换能器工作在谐振状态,可以提高测量的灵敏度。(3)将两换能器的间距l从大约一两半波长起,缓慢的增加,记录下荧光屏上依次出现正弦
6、波振幅极大值时标尺上的示数x1,x2,xn,然后缓慢减小间距l,记录下依次出现正弦波振幅极大值的标尺上的示数x1,x2,xn,用逐差法处理数据,对上述两种情况分别求出12和22的平均值,再将两者平均求出2。(4)因为声速和温度有关,应记录下室温,由v=f,求出v2. 用第二种方法测空气中声速。(1)仍按图连接线路,将示波器的水平显示功能中的X-Y键按下,调节信号电压和示波器两个通道的增益,使示波器显示稳定的,大小适合的李萨如图形。(2)记录下显示屏上依次出现相同直线时游标尺上的示数,x1,x2,xn,用逐差法求出波长的平均值。(3)计算出室温条件下的声速 v。3. 由气体参量计算出空气声速。正
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