大學物理實驗教案青島科技大學物理實驗室多媒體電子教材第二章振動與動搖2.1聲速丈量2.2空氣中聲速的測定2.1聲速丈量一、演示目的引見一種丈量聲速的新方法。二、演示原理本丈量儀器的安裝照實物所示，一個1.2m的有機玻璃管用作波導管，其上方和下方分別安裝有進水口和出水口，上方固定一揚聲器，揚聲器由一頻率可調的低頻信號發生器驅動，對于某一個特定的驅動頻率，經過控制進水的流量及時間，可緩慢調理波導管內的液面高度。由于水的聲阻抗大于空氣的阻抗，聲波在水面反射時產生半波損失。所以，水面構成的反射面只能構成波節。當空氣柱長度滿足n=1,2,3,……時，根據駐波原理，上端管口出現波腹，人耳只聽到最強的共鳴聲。低頻信號發生器如繼續降低波導管中的水位，即添加空氣柱的長度，可以產生第2、3……次共鳴,空氣柱的長度為L2、L3……,分別為，……，由于相鄰兩次共鳴景象之間的空氣柱長度只差為半個波長，利用實踐丈量的L1、L3、L(n+1)可以求得。聲速的頻率知，測得聲波在空氣中傳播的波長，根據公式即可求出聲速。三、演示方法先將波導管中注滿自來水，然后將水從波導管中漸漸流出，同時調理低頻信號發生器的頻率，在水位下降的過程記錄發生共鳴時的水位，兩次共鳴水位之間的間隔，恰好等于半個波長，從而推導出聲波的波長。2.2空氣中聲速的測定實驗目的學習利用波的疊加原理丈量聲速的方法了解示波器的構造，學習其運用方法了解發射和接納超聲波的原理和方法實驗要求示波器面板各旋鈕的作用及運用方法。壓電陶瓷超聲換能器的作用：逆壓電效應正壓電效應。測波長的三種方法：駐波法、相位法、雙蹤法。游標卡尺的讀數方法和運用方法，誤差限=0.02mm。丈量要求同講義。〔雙蹤法選作〕數據處置同講義。不作完好的實驗報告，只作數據處置于預習報告冊上。1、根本原理聲速

假設固定頻率為f=f0〔共振頻率〕，經過波長λ丈量，即可求的聲速v。本實驗采用壓電陶瓷超聲換能器來實現聲波和交流電壓間的轉換。當電信號的頻率與換能器的固有振動頻率相等時，其輸出能量最大。實驗原理2、駐波法低頻信號發生器游標尺示波器S1發出的超聲波和由S2反射的超聲波在S1，S2之間的區域干涉而構成駐波相鄰兩極大值之間的間隔為半波長λ/2整數倍時，接納面S2上的聲壓到達極大值。3、相位法S1發出的正弦波與S2收到的正弦波之間的相位差為φ=ωt=2πf/v=2πl/λS1與S2之間變化一個波長λ，φ相位差變化，示波器上所察看到的李薩如圖隨之變化一個周期。低頻信號發生器游尺示波器李薩如圖隨相位的變化圖形相位差實驗儀器SBZ-A超聲聲速測定儀

SBZ-A公用信號源

SS-5702A雙蹤示波器實驗步驟駐波法1〕發射換能器和接納換能器的兩個端面平行；2〕調整信號源和示波器正常的任務形狀；3〕按照正確線路銜接儀器；4〕調整信號源任務頻率，保證換能器處于諧振形狀；5〕挪動S2，察看示波器顯示的正弦波振幅變化，用游標尺讀出振幅極大值S2所在位置。不斷挪動S2，延續讀出10個相鄰的波節位置；6〕記錄室溫及信號源頻率。

實驗步驟相位法1〕按圖接線，將發射換能器的輸入信號接到示波器的通道2；2〕示波器的“觸發源〞撥至CH2；將“時基因數〞撥至X-Y；3〕接納換能器挪動到示波器屏上出現直線的位置，以便于觀測；4〕延續S2，讀取10組數據；5〕記錄信號源頻率及室溫。

實驗步驟雙蹤法1〕發射端信號接“CH1〞，接納端信號接“CH2，垂直方式〔YMOOD〕中的開關撥至DUAL示波器處于兩個通道信號的雙蹤顯示形狀；2〕旋轉“時基因數〞旋鈕可同時看到兩個波形，推進S2，兩個波形在程度方向發生相對挪動，當兩個波形的峰和峰對齊時，闡明位相差是2的整數倍；3〕延續推進S2，記錄峰與峰對齊時的10組數據，并記錄頻率。

λ=1.000cmf0=34000KHzV=331m/s參考數據1、駐波法實驗數據頻率f=34.905〔KHz〕室溫t=22〔℃〕0.0090.0070.0030.0050.0095.1055.0965.0985.1085.1105.114L=Xi+5-Xi17.22216.21215.20014.17213.14812.12611.11410.0929.0628.034Xi(cm)10987654321序號對丈量量L，B類不確定度不確定度A類不確定度這樣那么速度V的完好表示為V=(351.8±0.4)m/sEv=0.09﹪當溫度為t時，空氣中聲速

那么實驗丈量值與實際計算值的相對百分誤差為

2．相位法實驗數據〔每隔2測一次〕頻率f=34.626〔KHz〕室溫t=22〔℃〕0.0090.0070.0030.0050.0095.1055.0965.0985.1085.1105.114L=Xi+5-Xi17.22216.21215.20014.17213.14812.12611.11410.0929.0628.034Xi(cm)10987654321序號對丈量量L，其平均值的A類不確定度B類不確定度那么總不確定度這樣速度V的完好表示為V=(352.4±0.6)m/sE=0.16﹪當溫度為t時，空氣中聲速

那么實驗丈量值與實際計算值的相對百分誤差為3．雙蹤顯示法實驗數據〔選作〕頻率f=34