大学物理实验报告（清华大学）实验2.10声速测量实验报告.doc

清 华 大 学 实 验 报 告 系别：机械系 班号：机械51班 姓名：邹诚 （同组姓名： ） 作实验日期 2006年 11月 13日 教师评定： 实验2.10声速测量 一、实验目的 （1）了解声波在空气中传播速度与其他状态参量的关系； （2）了解超声波产生和接受的原理，学习一种测量空气中声速的方法，加深相位的概念。 二、实验原理 1.声波在空气中的传播速度 在理想气体中声波的传播速度为 式中为比热容比，即气体定压比热容预定容比热容的比值，是气体的摩尔质量，是绝对温度，为普适气体常数。由上式可见，声速和温度有关，又与摩尔质量及比热容比有关，后两个因素与气体成分有关。因此，测定声速可以推算出气体的一些参量。利用上式的函数关系还可制成声速温度计。 在正常情况下，干燥空气成分按重量比为氮氧氩二氧化碳。它的平均摩尔质量为。在标准状态下，干燥空气中的声速为。在室温下，干燥空气中的声速为 式中。由于空气实际上并不是干燥的，总含有一些水蒸气，经过对空气平均摩尔质量和比热容比的修正，在温度为、相对湿度为的空气中，声速为 式中为室温湿空气的饱和蒸气压，可从饱和蒸气压和温度的关系表中查出；为大气压，取即可；相对湿度可从干湿温度计上读出。有这些气体参量可以计算出声速，故上式可作为空气中声速的理论计算公式。 2. 测量声速的实验方法 声波的传播速度与声波频率及波长的关系为 测出声波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可通过测量声源的振动频率得出，剩下的任务就是测量声波波长，也就是本实验的主要任务。 产生和接受长生波是用超声波传感器，其外形及内部结构如图所示。它是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属外壳及金属网构成。其中压电陶瓷镜片是传感器的核心，他是利用压电体的压电效应产生超声波。锥形辐射喇叭是发射和接受超声波的能量比较集中，使发射和接受超声波有一定的方向角。本实验中压电陶瓷镜片的振荡频率为，相应的超声波波长约为几毫米。又与它的波长短、定向发射性能好，波长可用相位法测出。 波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。沿传播方向上的任何两点，如果其振动状态相同（同相）或者说其相位差为的整数倍，这是两点间的距离应等于波长的整数倍，即 （为一正整数） 利用这个公式可精确地测量波长。 当在发射器的声波场中沿传播方向移动接收器时，总可以找到一个位置，使得接收器接收到的电信号与发射器的激励电信号同相。继续移动接收器，直到接受的信号再一次和发射器的激励电信号同相时，移过的这段距离必然等于声波的波长。为了判读相位差并且测定波长，可以利用双线示波器直接比较发射器的信号和接收器的信号，同时沿传播方向移动接收器寻找同相点。也可以利用利萨如图形在两个电信号同相或反相时椭圆退化为右斜或左斜直线来判断，其优点是斜直线情况判断相位差最为敏锐。 三、实验步骤 （1）连接电路，将函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端5及示波器的通道1相连，将超声波接收器的输出端8与示波器的通道2相连。函数信号发生器置于正弦波输出，其频率范围置于100kHz档，输出幅度调到峰值左右。接线时注意，红色为信号线，黑色为地线，不要接错。 （2）用示波器观察加在声波发射器上的电信号与超声波接收器输出的电信号，先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右，然后细调频率，使接收器输出信号最大，并记录下此频率，即为超声波频率。实验过程中信号频率若有改变，记下最大最小值，最后取平均值。观察时，可设法判断是否确实由超声波由发射器发出经由空气传播到了接收器，并研究环境因素对声波传播的影响。例如，可在二者之间插入纸片或在传播路径上煽风等等，同时观察示波器荧屏上接收信号的情况。 （3）用相位法测波长。利用利萨如图找出同相点来求波长。为了提高精度，可采用逐差法处理数据。每遇到一个同相点，测一次接收器的位置，连续测20个数据、、，。由以上20个数据按逐差法将对应数据相减得，,···,,求出这10个的平均值，然后算出波长平均值。这样比只测一个波长的值要精确的多。想想为什么？另外请思考在示波器屏幕上同时显示发射信号与接收信号，而不用利萨如图，应如何判断同相位? (4)为了进行理论值于实验值的比较，在测量开始和结束时，要先后记录室温和，以及相对湿度和，并查处平均室温对应的饱和蒸气压。若温度不是整数值，则按线性插值法求出准确的饱和蒸气压值。然后按公式计算出声速理论值，与实验测得的声速值比较，从而估计本实验所用测量方法的准确程度。 四、原始数据（附页） 五、数据处理、作图、误差分析 实验测得波速数据处理： 相位法测波长：（连续测20个数据）(单位：) 9