介质对声波影响实验报告

介质对声波传播速度影响的研究——探究不同测量法的数据准确性【目的要求】（1）了解声波的产生原理，学习不同的测量空气中声速的方法；（2）了解声波在空气中的传播速度与气态状态参量的关系，通过不同方法收集数据，比较不同的测量方法的数据误差性大小；（3）培养对声学、电学等不同类型仪器的综合使用能力。【实验仪器】声速测定仪，低频信号发生器，示波器，数字频率器等【实验原理】声速测量的实验方法声速υ、声波频率f和波长λ的关系为υ=fλ声速频率可由频率计直接测声源振动频率得出，本实验的主要任务是测出声波的波长。由于声速与频率无关，又由于超声波具有波长短、易于发射等优点，所以在超声波段进行声速测量较为方便。（1）共振干涉法S1为声波源，S2不但接收到声波，而且能反射部分声波。当S1发射出近似平面波，S1和S2表面相互平行时，S1发出的声波和S2反射的声波皆在S1和S2之间往返反射，相互干涉叠加，形成驻波。随着接收器位置的变化，示波器观察到合成振动振幅的大小将呈现周期变化。在示波器上的电信号幅度每一次周期性变化，就相当于S1和S2之间的距离改变了λ/2。测定这个距离，由频率计读出相对应的频率f，即可计算出声速υ。（2）位相比较法波是振动状态的传播，它不仅传播振幅也进行位相的传播，沿波方向的任何两点，其位相和波源的位相间的位相差相同时，这两点的距离就是波长的整数倍。依次可以测量波长。由于发射器发出近似平面波的声波，当接收器的端面垂直于波的传播方向时，端面上的各点都具有相同的位相。沿波传播方向缓慢移动接收器时，总可以找到一个位置，使得接收到的电信号与发射器激励的电信号同相，此时移动的距离等于声波的波长。用位相比较法测声速装置主要通过示波器显示的李萨如图形来观察。每当位相差改变2π时，示波器上的李萨如图形相应变化一个周期。若选李萨如图形为一斜直线时，当直线斜率符号每改变一次时，位相差改变为π，S2相对测量起点相应地移动了λ/2，由此可测量出λ。由频率计读出相应的发射信号f，即可计算声速υ。（3）时间差法连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，达到L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度v=距离L/时间t通过测量二换能器接收平面之间距离L和时间t，就可以计算出当前介质下的声波传播速度。【实验内容】一、共振干涉法测声速（1）接好实验装置。调整S1和S2的端面互相平行，并与移动方向相垂直。（2）调整测试系统的谐振频率（共振频率）的初调过程，然后再仔细微调信号发生器的输出频率，使示波器上的电线号达到最大值，此频率即为谐振频率。（3）测量波长，由远及近，移动S2，在近处选择示波器上出现振幅最大时作为起点，记下S2位置L0.然后连续找出12个振幅最大的位置，记下L1，L2，…，L12。利用逐差法求波长，并记下室温。在测量的同时，用频率计监视频率的变化，记下频率计的指示值f。二、位相比较法测声速（1）接好装置。信号发生器和频率计调节方法与共振干涉法相同，将发生器的输出频率调至系统的谐振频率。S1与信号发生器输出端相接并与示波器Y输入端相接，S2与示波器X的输出端相接。令示波器处在X-Y状态下，此时可在示波器上看到椭圆或斜直线的李萨如图形。调节示波器旋钮及输出电压，使图形大小适中。（2）在谐振频率下，使S2靠近S1然后慢慢移开，当示波器屏上出现斜直线时，记下S2的位置L0，继续移动，示波器上的李萨如图形又变为斜率相反的斜直线，此时S2与测量起点位相差变化为π，依次继续移动S2，每当位相差改变π就记下相对位置。于是得到12组数据，L1，L2,…，L12,,用逐差法求波长。并记下室温和频率。三、时差法测声速（1）接好装置。调节示波器的频率，至时间间隔点稳定时达到频率稳定。（2）在示波器频率稳定后，选取信号发生器上显示时间的某一个确定值T1,以及此时S2的位置L1,移动S2，当时间值间隔到ΔT，记下T2,以及此时的位置L2,继续记下同样间隔的ΔT的T3及位置L3。【实验记录与处理】（1）共振干涉法频率f=34.118kHz，温度为23.00℃，标准声速修正：υ标准=331.45+0.59*23.00=345.02025m/s数据处理：序号12345678910位置/mm0.005.1510.2815.4220.5625.7430.7835.8940.9546.08逐差法算得：波长平均值为：30.7125/3=10.2375mm,速度为：υ=fλ=34.118*10.2375=349.2830m/s与标准值υ标准偏差为：Δυ=349.2830-345.02025=4.26275m/s相对误差：Δυ/υ标准*100%=1.2%（2）位相比较法频率f=38.916kHz,，温度为19.00℃，标准声速修正：υ标准=331.45+0.59*19.00=342.66m/s数据处理：序号123456789101112位置/mm0.00-4.17-8.52-13.01-17.36-21.81-26.16-30.61-35.12-39.51-43.93-48.34逐差法算得：波长平均值为：26.47/3=8.823mm,速度为：υ=fλ=38.916*8.823=343.3559m/s与标准值υ标准偏差为：Δυ=343.3559-342.66=0.6959m/s相对误差：Δυ/υ标准*100%=0.203%(3)时差法温度为19.00℃，标准声速修正：υ标准=331.45+0.59*19.00=342.66m/s数据处理：时间/μS,T1=400T2=500T3=600位置/mmL1=0.00L2=34.22L3=68.58逐差法得速度：υ=342.90m/s与标准值υ标准偏差为：Δυ=342.90-342.66=0.24m/s相对误差：Δυ/υ标准*100%=0.07%结果分析：通过误差分析可得，以相对误差来评判方法的可靠性，时差法误差性最小，可靠性最高。