1、大学物理实验,实验一 声速的测定,实验简介,实验原理,实验目的,实验内容,仪器及调整,实验数据,预习题,思考题,【实验简介】,声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，由于其振动方向与传播方向一致，故声波是纵波。振动频率在20Hz20KHz的声波可以被人们听到，称为可闻声波；频率超过20KHz的声波称为超声波。 声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量。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。,【实验目的】1.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； 2.研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象； 3.对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解
2、。,【实验原理】声波在现代科技中泛指机械振动的传播。它的传播速度与介质和温度等因素有关，而与振源频率无关。在弹性介质中，由机械振动所激起的波称为声波。人耳能听到的声波的频率在20Hz20000Hz之间。频率超过20000Hz称为超声波，低于20Hz称为次声波。 1、 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，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，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
3、的声压波腹也相应地达到极大值。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= 计算声速。,2、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=L/V, =TV,可得=2L/ 。而当相位差改变时，相应的距离L的改变量即为半个波长。由波长和频率值可求出声速。 相位差为=2x/,图1 用李萨如图形观测相位的变化,3、声波的干涉、衍射和反
4、射。 利用双缝干涉实验。对于不同的角，如果从双缝到接收器的波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；当波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：d sin=n (4) 极小值： d sin=(n+1/2) (5) 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。 4、理论公式: 式中v0=331.45m/s，为T0=273.15K时的声速，T=t+273.15K,【实验仪器】 仪器主要由三部分组成：声速测定装置、正弦信号发生器和示波器。,【实验内容】,1、调整测试系统的谐振频率按图将实验装置接好。
5、正弦波的频率取40KHz，调节接收换能器尽可能近距离，且使示波器上的电源信号为最大。然后，将两个换能器分开稍大些距离（约6-7cm），使接收换能器输入示波器上的电压信号为最大（近似波节位置）。再调节频率，使该信号确实为该位置极大值。最后，细调频率，使接收器输出信号与信号发生器信号同相位。此时信号源输出频率才最终等于二个换能器的固有频率。在该频率上，换能器输出较强的超声波。 2、在谐振频率处用共振法和相位法测声速。 当测得一声速极大值后，连续地同一方向移动接收端的位置，测量相继出现20个极大值所相应的各接收面位置，再求波长值。,在用相位比较法时，将接收器与示波器的Y轴相连，发射器与示波器X轴相连
6、，即可利用李萨如图形来观察发射波与接收波的相位差，适当调节Y轴和X轴灵敏度，就能获得比较满意的李萨如图形。对于两个同频率互相垂直的简谐振动的合成，随着两者之间相位差从0-变化，其李萨如图形由斜率为正的直线变为椭圆，再由椭圆变到斜率为负的直线。记录游标卡尺上读数时，应选择李萨如图形为直线时所对应的位置。每移动半个波长，就会重复出现斜率正负交替的直线图形。 3、将上述两种方法的测量结果比较，计算与理论值的相对偏差。,【实验数据】 1.共振干涉测量声速 f= Hz,求平均声速，并与理论声速作百分误差比较,表1 共振法测声速数据处理 f =,2 相位法测量声速 f= Hz,求平均声速，并与理论声速作百分误差比较,表2 相位法测声速数据处理 f =,【思考题】,【预习题】,1、声波与光波、微波有何区别？ 2、为何在声波形成驻波时，在波节位置声压最大，因而接收器输出信号最大？ 3、为何换能器的面要互相平行？不平行会产生什么问题？,1实验时怎样找到换能器的谐振频率？ 2什么是逐差法？它的优点是什么？在什么情况下使用？,
