声速的测定

声速的测定

【实验原理】在波动振动和传播的过程中，已知波速υ与波长λ和频率f之间存在下列关系υ=f·λ (1)因此，一般根据此式将声速的测量变成声波频率和声波波长的测量。用专用的信号源产生正弦振荡信号来控制发生器，所以声波频率就是专用信号源产生的正弦振荡信号频率，可用数字式频率计进行精确测量。声波波长的测量常用共振干涉法(驻波法)和位相比较法(行波法)进行测量。图1 压电陶瓷换能器本实验采用了压电陶瓷超声换能器将专用信号源产生的正弦振荡信号转换成空气中的超声振动，在超声范围内作声速实验，主要是为了避免实验室内各种声音的干扰，保证室内的安静。压电陶瓷超声换能器就是发生和接收超声波的器件，它产生的超声波频率比较单纯，方向性强，基本上是一个平面波，这对于提高测量的精密度是有利的。压电陶瓷片是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡)，在一定的温度下经极化处理制成的。它具有压电效应。在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上产生一定的电场强度E。它们之间有一简单的线性关系E=gF。反之，当在压电材料的极化方向上加电压E时，材料的伸缩形变S与电压E也有线性关系S=aE，比例系数g、a称为压电常数，它与材料性质有关。由于E和F、S和E之间具有简单的线性关系，因此，能将正弦交流信号变成压电材料纵向长度的伸缩，使压电陶瓷成为声波的波源。反过来，也可以使声压变化转变为电压的变化，即用压电陶瓷片作为声频信号的接收器。换能器，就是在压电陶瓷片的前后表面胶粘上两块金属组成的夹心型振子。头部用轻金属做成喇叭形，如图1所示。尾部用重金属做成锥形，中部为压电陶瓷圆环，环中间穿过螺钉。这种结构增大了辐射面积，增强了振子与介质的耦合作用。由于振子是以纵向长度的伸缩，直接带动头部轻金属作同样纵向长度伸缩(对重金属的作用小)，这样所发射的声波，方向性强，平面性好。另外振子的几何尺寸也与压电陶瓷片的共振频率和发射频率有关。实验时用一个换能器作为发射头，另一个作为接收头，二换能器的表面应保持互相平行。【实验装置】仪器由支架，游标卡尺和两只超声压电陶瓷换能器A、B组成，见图2。两只超声压电陶瓷换能器的位置分别与游标卡尺C的主尺和游标相对定位。所以两只换能器相对位置距离的变化量可由游标卡尺直接读出。输出3 5 5 2 0SBZ—A信号源频率调节接信号检测图2 SBZ-A型超声声速测定仪两只超声压电陶瓷换能器，一只A为发射声波用(电声转换)，另一只B为接收声波用(声电转换)，两换能器的结构完全相同。A的平面端面用以产生平面波，B的平面则为声波的接收面与反射界面。支架的结构采取了减震措施，能有效地隔离两换能器间通过支架而产生的机械震动耦合。从而避免了由于声波在支架中传播而引起的测量误差。【实验内容】一、驻波法：(共振干涉法)由声波传播理论可知，当两只换能器A、B平面端面间有声波传播而此换能器平面端面间的距离又恰好等于其声波的二分之一波长的整数倍时(L=n·λ／2)，两平面端面间将形成声波驻波，在声波驻波中，波腹处声压最大，波节处声压最小。接收换能器B的反射界面处为波节。声压最小。所以可从接收换能器B端面声压的变化，亦即是B端输出电压的变化来判断声波驻波是否形成以及产生驻波的波腹和波节。拉动游标卡尺C，改变两只换能器端面间的距离，同时用仪器监测B的输出电压幅度变化。记录下相邻两次出现最大电压数值时游标卡尺的读数。两读数之差的绝对值应等于其声波波长的二分之一。221λ=−LL声波的频率。由专用信号源上的频率计直接读出。这样根据公式(1)就可算出声波在空气中的传播速度。为了提高测量精度，应充分利用整个卡尺的行程，尽可能多的取得产生驻波时的卡尺读数，然后将所得数据进行处理计算，这样对波长的测量更为准确。【实验步骤】1．首先调整发射换能器A上“固定卡环”上的紧固螺丝，使A的平面端与游标卡尺滑动方向相垂直，锁定后再将接收换能器B移近A。同样通过调整其“固定卡环”上的紧固螺丝，使B的平面与A的平面端严格平行，调整好两只换能器位置后，将两只“固定卡环”上的紧固螺丝拧紧，保持换能器的位置固定。这一步已由实验室工作人员调好不再拧动。2．按图3接好实验线路。两只换能器A、B的输入和输出插口均为“红色”接信号，“黑色”接地。仔细检查有否接错，否则将发生短路，影响实验。图3 驻波法实验接线图3．开启专用信号源，频率计的数码管开始显示频率读数。仔细调节信号源的输出频率即“粗”调旋钮和“细”调旋钮(详见附录一SC2000-Ⅱ型波形发生器)。使频率计读数大约在35520HZ左右时，仔细观察串联于发射换能器A上的指示小灯泡D。当换能器A处于谐振状态时。阻抗急剧下降，激励电流达到最高。指示灯D突然燃亮，此时表明换能器A处于最佳工作状态，通过接收端B输出的信号才最强。待电源稳定一段时间后记录下频率计上显示的频率读数。4．移动游标卡尺，使两只换能器端面靠近。但不可接触。适当调节示波器上Y输入的“衰减”和“增益”，使荧光屏上出现一条长的竖直亮线(此时示波器的X扫描可停止工作)。调节游标卡尺的微动螺旋，使竖直亮线最长。5．移动游标卡尺，逐渐加大两只换能器端面间的距离，同时监测示波器荧光屏上的输出指示。当每出现一次最大值时，读取并记录游标的指示读数。由于仪器反应非常灵敏，为了准确得到接收信号最强的确切位置，可利用游标卡尺上的微动螺旋调节。调节时注意要放松游标上的制动螺丝，拧紧微调螺旋上的紧固螺丝，此时调节游标下面的微调螺旋才起作用。直至出现接收信号最大，示波器荧光屏上出现的竖直亮线最长为止。6．按实验要求测得所需的多个实验数据进行处理后，计算出声波在空气中的传播速度。

如以上回答内容为低俗、色情、不良、暴力、侵权、涉及违法等信息，可以点下面链接进行举报！

点此我要举报以上问答信息