超声声速的测量实验数据

实验3.12 超声声速的测量

声波是一种机械波，它可以在气态、液态、固态物质中传播，它会引起物质的光学、电磁、力学、化学性质以及人类生理、心理等性质的变化。人耳能听到的声波称为可闻声波，频率在20Hz～20kHz之间，频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20kHz则称为超声波。超声波在媒质中传播时，声速、声衰减和声阻抗都和媒质的特性及状态有关，通过测量这些声学量可以探知媒质的特性和状态变化。这些声学量的测量方法就是超声无损检测的实验基础。由于媒质中的声速与媒质的许多非声学特性都有直接或间接的关系，所以通过声速的测量可以求出固体媒质的弹性模量，进行气体成分分析，测定液体的比重，液体的成分及溶液浓度等。利用媒质的温度、压强、流速与声速的关系则可以探测这些状态参量的变化。媒质中的声速是应用最广而且测量精度也较高的声学量。测量声速依据的原理可以是

v?l/t（l表示声音传播的距离，t表示通过这段距离的时间），也可以是v?f?（f为声

波的频率，?为声波的波长）。本实验采用的共振干涉法和相位比较法均属于后者。

一、预备问题

1． 压电换能器是如何工作的？

2． 声波在媒质中传播的速度与哪些因素有关？ 3． 何为共振干涉法和相位比较法？

二、引言

北京航空航天大学

北京航空航天大学

物理研究性实验报告

实验项目名称：

对多普勒效应测量超声声速实验的扩展

多普勒效应测量超声声速

摘 要：本实验通过学习多普勒效益的相关原理，利用BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪测量

超声声速，结合光电门测速的方法验证多普勒超声测速仪测量小车速度的精准程度。在本次试验报告中，将探讨多普勒勒效应试验数据的误差分析；将对试验仪器进行改进；利用多普勒超声测速仪进行更多实验的操作。

1

北京航空航天大学

一、实验重点：

(1)通过该实验进一步了解多普勒效应原理及其应用； (2)熟悉BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪的使用； (3)熟悉数字示波器的使用。

二、仪器相关原理简介与相应计算：

在无色散情况下，波在介质中的传播速度是恒定的，不会因波源运动而改变，也不会因观察者运动而改变。但当波源（或观察者）相对介质运动时，观察者所接收到的频率却可以改变。当我们站在铁路旁，有火车高速经过时，汽笛声会由高亢变得低沉，就是这个缘故。如果观

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物理研究性实验报告

实验项目名称：

对多普勒效应测量超声声速实验的扩展

多普勒效应测量超声声速

摘 要：本实验通过学习多普勒效益的相关原理，利用BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪测量

超声声速，结合光电门测速的方法验证多普勒超声测速仪测量小车速度的精准程度。在本次试验报告中，将探讨多普勒勒效应试验数据的误差分析；将对试验仪器进行改进；利用多普勒超声测速仪进行更多实验的操作。

1

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一、实验重点：

(1)通过该实验进一步了解多普勒效应原理及其应用； (2)熟悉BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪的使用； (3)熟悉数字示波器的使用。

二、仪器相关原理简介与相应计算：

在无色散情况下，波在介质中的传播速度是恒定的，不会因波源运动而改变，也不会因观察者运动而改变。但当波源（或观察者）相对介质运动时，观察者所接收到的频率却可以改变。当我们站在铁路旁，有火车高速经过时，汽笛声会由高亢变得低沉，就是这个缘故。如果观

超声声速测定

声波特性的测量，如频率、波长、声速、声压衰减、相位等，是声波检测技术中的重要容。特别是声速的测量，不仅可以了解媒质的特性而且还可以了解媒质的状态变化，在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要的实用意义。例如，声波测井、声波测量气体或液体的浓度和比重、声波测量输油管中不同油品的分界面等等。

“声速的测量”是一个综合性声学实验。实验中采用压电瓷超声换能器通过驻波法（共振干涉法）和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度，这是一个非电量电测方法的应用。通过这个实验可以重点学习如下容：（1）实验方法：非电量的电测方法；测量声速的驻波法和相位比较法。（2）测量方法：利用示波器测量电信号的极大值和观察萨如图形测量相位差的方法。（3）数据处理方法：求声波波长的逐差法。（4）仪器调整使用方法：双踪示波器和函数信号发生器的正确调节和使用方法。

【实验目的】

1.学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度。

2.了解压电换能器的功能。

3.学习用逐差法处理数据。

【实验仪器】

SVX-5型声速测试仪信号源、SV-DH系列声速测试仪、双踪示波器等

【实验原理】

频率介于20Hz ～20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz ～500M

实验四 用超声波测量声速

声速与传声媒质的特性及状态有关，因此通过声速的测量，可以了解被测媒质的特性及状态的变化，如可进行气体成分的分析，测定液体的比重，溶液的浓度，确定固体材料的弹性模量等。我们只研究声波在空气中的传播，并测量其传播速度。

实验目的：

1、测量声波在空气中的传播速度,学习测量声速的方法。2、加深对波的相位和波的干涉的理解。

实验仪器：

换能器（有两个，一个固定于超声声速测定仪上，一个随卡尺的游标移动）、专用信号源、超声声速

测定仪、示波器、连接线。

实验原理：

设波速为v,波长为λ和频率为ｆ，它们之间有如下关系： v＝λｆ （1）

因此，一般是根据（１）式,将声速的测量变成声波波长和声波频率的测量。由于都用交流电讯号控制发声器（即换能器），所以声波频率就是交流电讯号的频率， 可以用频率计测量其频率（本实验在信号源上直接读出），而声波波长的测量常用相位比较法（行波法）和共振干涉法（驻波法）来测量其波长。 一、 相位法

如图一所示，设声源从X=0处出发的平面简谐波沿X轴的正方向传播,在X=0处的振动方程为: Ｙ0＝Ａcosωｔ

太原理工大学物理实验报告——超声声速测定扫描版

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超声速翼型和亚声速翼型的气

动特性

总负责：祝恺辰（071450704） 组员：辛宏宇(071450703)

超声速和亚声速翼型不同的主要原因是超声速翼型需承受激波阻力。 激波

超声速气体中的强压缩波。微扰动（如弱压缩波）的叠加而形成的强间断，带有很强的非线性效应。

经过激波，气体的压强、密度、温度都会突然升高，流速则突然下降。压强的跃升产生可闻的爆响。如飞机在较低的空域中作超音速飞行时，地面上的人可以听见这种响声，即所谓音爆。理想气体的激波没有厚度，是数学意义的不连续面。实际气体有粘性和传热性，这种物理性质使激波成为连续式的，不过其过程仍十分急骤。因此，实

际激波是有厚度的，但数值十分微小，只有气体分子自由程的某个倍数，波前的相对超音速马赫数越大，厚度值越小。

原子弹爆炸形成的蘑菇云也是一种激波

一、超音速薄翼型

翼型作亚声速运动和超声速运动时，对气流的扰动有很大不同

亚声速扰动无界

超声速扰动限于前马赫锥后，前半部压缩，后半部膨胀，扰动均沿着波德传播方向即垂直于

马赫波

根据动量定律，向前流出的气体将给翼型一个像后的反作用力，它有一个阻力分量；而从控制面向后流出的气流对翼型有一个推力分量；同理，向前流入控制面的气流将给翼型一个阻力分量。而向

声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射

声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量。在空气中，一些波动现象，不仅可以用可见光与微波演示，也可以用声波演示。在气体中，声波是纵波而不是横波，因而不出现偏振现象，这是与电磁波现象的一个重大区别，但声音所产生的几种干涉和衍射效应与电磁波干涉和衍射效应完全相似。

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。 【实验原理】 1．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

液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、

实验目的

1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度 二、

实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、

实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为

N?y,t??N0??Ncos??st?Ksy?

式中ΔN是折射率的变化幅度；

液体中超声波声速的测定

人耳能听到的声波，其频率在16Hz到20kHz范围内。超过20Hz的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、

实验目的

1． 了解超声波的产生方法及超声光栅的原理 2． 测定超声波在液体中的传播速度 二、

实验仪器

分光计，超声光栅盒，钠光灯，数字频率计，高频振荡器。 三、

实验原理

将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。

超声波在液体介质中以纵波的形式传播，其声压使液体分子呈现疏密相同的周期性分布，形成所谓疏密波， 如图1a)所示。由于折射率与密度有关，因此液体的折射率也呈周性变化。若用N0表示介质的平均折射率，t时刻折射率的空间分布为

N?y,t??N0??Ncos??st?Ksy?

式中ΔN是折射率的变化幅度；