文档介绍：声速的测量(超声波法)
声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。声波在媒质中传播时,声速,声强等诸多参量都和媒质的特性与状态有关,通过测量这些声学量可以测知媒质的特性及状态变化。例如,通过测量声速可求出固体的弹性模量:气体、液体的比重、成分等参量。
在同一媒质中,声速基本与频率无关,例如在空气中,频率从20赫兹变化到8万赫兹,声速变化不到万分之二。由于超声波具有波长短,易于定向发射,不会造成听觉污染等优点,我们通过测量超声波的速度来确定声速。超声波在医学诊断,无损检测,测距等方面都有广泛应用。
声速的测量方法可分为两类;第一类方法是直接根据关系式v=S/t,测出传播距离S和所需时间t后即可算出声速,称为“时差法”。第二类方法是利用波长频率关系式v=fλ,测量出频率f和波长λ来计算出声速。
【实验目的】
【实验仪器】
QSSV-2型声速测定实验仪、示波器
【实验原理】
一、声速在空气中的传播速度
在理想气体中声波的传播速度为
(1)
式中=Cp/Cv称为比热比,即气体定压比热容与定容比热容的比值,是气体的摩尔质量,T是绝对温度,R=•K为普适气体常数。由(1)式可见,声速与温度有关,又
与摩尔质量及比热比有关,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(1)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=×10-3kg/moL在标准状态下,干燥空气中的声速为=。在温室t℃下,干燥空气中的声速为
(2)
式中T0=。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比的修正,在温度为t、相对温度为t0的空气中,声速为
(3)
式中为t℃时空气的饱的和蒸气压,可从饱和蒸气压、蒸气压和温度的关系表中查出;P为大气压,取P =×105Pa即可;相对温度r可从干湿温度计上读出。由这些气体参量可以计算出声速,故(3)式可作为空气中声速的理化计算公式。
二、测量声速的实验方法
声速的传播速度v与声波频率f和波长λ的关系为
v = fλ(4)
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,剩下的任务就是测声波波长,也就是本实验的主要任务。
波长可用下面两种方法测出:
:波是振动状态的传播,也可以说相位传播。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2π的整数倍,这时两点间的距离应等于波长λ的整数倍,即
L=nλ(n为-正整数) (5)
利用这个公式可精确地测量波长。
图1 用双踪示波器测波长示意图
由于发射器发出的是近似于平面波的声波,当接收器垂直于波的传播方向时,其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动接收器时,总可以找到一个位置使得接收的信号与发射器激励信号同相。继续移动接收器,直到接收的信号再一次和发放射器的激励电信号同相时,移过的这段距离必然等于