大学物理实验超声波速测量实验报告
一实验目的
1. 了解超声波的物理特性及其产生机制；
2. 学会用相位法测超声波声速并学会用逐差法处理数据； 3. 测量超声波在介质中的吸收系数及反射面的反射系数； 4. 并运用超声波检测声场分布。 5. 学习超声波产生和接收原理，
6. 学习用相位法和共振干涉法测量声音在空气中传播速度，并与公认值进行比较。 7. 观察和测量声波的双缝干涉和单缝衍射 二实验条件
HLD-SV-II型声速测量综合实验仪，示波器，信号发生仪
三实验原理
1、超声波的有关物理知识
声波是一种在气体。液体、固体中传播的弹性波。声波按频率的高低分为次声波（f＜20Hz）、声波（20Hz≤f≤20kHz）、超声波（f>20kHz）和特超声波（f≥10MHz），如下图。
声波频谱分布图
振荡源在介质中可产生如下形式的震荡波：
横波：质点振动方向和传播方向垂直的波，它只能在固体中传播。
纵波：质点振动方向和传播方向一致的波，它能在固体、液体、气体中的传播。 表面波：当材料介质受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，介质表面的质点做椭圆的振动，因此表面波只能在固体中传播且随深度的增加衰减很快。
板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，可分为SH波与兰姆波。
超声波由于其波长短、频率高，故它有其独特的特点：绕射现象小，方向性好，能定向传播；能量较高，穿透力强，在传播过程中衰减很小，在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传的更远，而且在液体里的衰减和吸收是比较低的；能在异质界面产生反射、折射和波形转换。
2、理想气体中的声速值
声波在理想气体中的传播可认为是绝热过程，因此传播速度可表示为
V?rRT? (1)
式中R为气体普适常量(R=)，?是气体的绝热指数(气体比定压热容与比定容热容之比)，
?为分子量，T 为气体的热力学温度，若以摄氏温度t计算，则：T?T0?t
T0?273.15K
代入式(1)得，
V?rR?(T0?t)＝rR?T0?1?tt (2) ＝V01?T0T0对于空气介质，0℃时的声速V0=声速公式为：
ms 。若同时考虑到空气中的蒸汽的影响，校准后
V?331.45(1?0.319pwt)(1?)m/s (3) T0p式中pw为蒸汽的分压强，p为大气压强。 3、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l，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，l等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大；同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出，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 v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?v?计算声速。
声压变化与接收器位置的关系：
4、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?（式中T为周期），代入上式可求得声速V。 ?的确定用如下方法：根据
l,??TV V??2?l/?
当l?n?/2(n?1,2,3,...)时，得??n?。
实验时，通过改变发射器与接收器之间的距离，可观察到相位的变化。而当相位差改变
?时，相应的距离l 的改变量即为半个波长。为精确测定波长的值，在实际的操作中要连
续测多个相位改变?的点的坐标，再用逐差法算出波长?的值，根据波长和频率值可求出声速。
行波法相位差图：
5声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射
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是比较方便的。本实验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；并研究声波双缝干涉，单缝衍射及声波的反射现象，将测量结果与理论计算进行比较，从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。 6、声波的干涉和衍射
双缝干涉实验装置如图1所示。对于不同的?角，如果从双缝到接收器的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：dsin??n? (4) 极小值：dsin??(n?1)? (5) 2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。
rd〆a 图1
衍射效应用超声波也可以观察到，采用1个单缝，如图2所示。当来自单缝的一半的辐射与来自另一半的辐射相差半波长奇数倍时，会产生相消干涉，因此相消干涉条件是：
a1sin??(n?)? （6） 22式中，n=0，±1，±2，……，a为单缝缝宽，?为接收器离中心位置转过角度。
ra〆 图2
三、实验内容
(一)：声音在空气中传播速度测量 1、调整测试系统的谐振频率
按图4将实验装置接好。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5-6cm），使接收换能器输入示波器上的电压信号为最大。再调节频率，使该信号确实为该位置极大值。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Li，再用逐差法求波长值。
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，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--π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、本实验温度应正确仔细地测量（为什么），并测出温度计干泡温度和湿泡温度，查表得到该状态下的 pw值，再测得实验室当时的气压值p，（干燥天气可不必测量pw和p）（详
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