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较方便。

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，信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）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。其输入部分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部分的机械耦合到输出部分,输出部分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替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、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.相位比较法测波长 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示例 五、实验内容 1.调整仪器使系统处于最佳工作状态，换能器共振频率约为35KHz。

2.用驻波法（共振干涉法）测波长和声速。

3.用相位比较法测波长和声速。

注意事项 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:201831010818 指导老师:张怀作 实验时间:2020年 5 月 2 日 专业年级：石油工程2018级 1、选择合适的超声波频率 信号发生器输出信号的频率（Hz） 36500.0 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 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、用相位比较法测波长和声速 表3. 利用相位比较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 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，则理论声速约为。

声速测量值：
344.295 （） 相对测量误差为：
0.260629% 七、思考题 2015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。随之传来了各种猜测，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较法。

九：实验原始数据