超声波测声速实验报告 天津科技大学

声速的测量实验报告
班级 186101 组 A 姓 名 *** 学号 18101306 实验成绩

[实验目的]

1. 学会测量超声波在空气中传播速度的方法；
2. 理解驻波和振动合成理论；
3. 学会逐差法进行数据整理；
4. 了解驻波法和相位比较法测声速。

[实验仪器]

示波器、信号发生器和声速测试仪。

[实验原理]
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。下图是超声波测声速实验装置图。

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，入射波与反射波叠加，它们波动方程分别是：
   

叠加后合成波为：

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S1发出的超声波到达接收器S2，所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差：，其中是波长，x为S1和S2之间距离。因为x改变一个波长时，相位差就改变2。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

[数据表格]
1、 测量数据填写下表：以示波器屏上呈现直线时为起点，缓慢移动换能器的位置，依次记录屏上每次出现直线时所对应10个数值；再缓慢地反方向调节，记录出现直线时所对应的10个值。用逐差法处理数据，计算出波长。
信号发生器输出信号的频率（单位：Hz）=
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
增大间隔时位置x（mm） 　50.40 　55.00 　59.54 　64.10 　68.70 　73.32 　77.90 　82.50 　87.04 　91.64
减小间隔时位置x（mm） 　50.40 　54.96 　59.56 　64.10 　68.72 　73.32 　77.90 　82.48 　87.06 　91.64
平均值(mm) 　50.40 　54.98 　59.55 　64.10 　68.71 　73.32 　77.90 　82.49 　87.05 　91.64
根据表中数据，计算超声的波长、声速，过程如下：

波长大小λ=[(Avgx6-Avgx1)+(Avgx7-Avgx2)+(Avgx8-Avgx3)+(Avgx9-Avgx4)+(Avgx10-Avgx5)]/25 * 2

声速v=f*λ

计算后得出波长为（单位：mm）=9.23
声速为（单位：m/s）=340.5
[分析讨论]
1、相位比较法测量声速时，选择什么样的李萨如图形进行测量？为什么选择这种类型的图形？

选择恰好为一条倾斜直线时测量，因为相比于其他图形更容易观测，而且每出现一个倾斜直线，s1和s2距离改变了半个波长，容易计算。

2、形成驻波的条件是什么？两压电换能器的端面为什么要平行？

两列传播方向相反、振动方向相同、振幅相同、频率也相同的平面简谐波叠加会形成驻波。发射换能器发送的能量是垂直发射面传播的，接受换能器接受的能量是垂直接受面接受的，如果不让两面的中心垂线对正，传送的能量就有损失。

3、在各种不同的介质中声速是否相同？如何测量超声波在水、油或其他液体中的声速。
介质不同，声速不一定相同。可以利用超声光栅测定水、油或者液体中的声速。