测量声速的实验报告

测量声速的实验报告 测量声速(实验报告) 实验目的: 1)探究影响声速的因素，超声波产生和接收的原理。 2)学习、掌握空气中声速的测量方法 3)了解、实践液体、固体中的声速测量方法。 4)三种声速测量方法作初步的比较研究。 实验仪器: 1)超声波发射器 2)超声波探测器 3)平移与位置显示部件。 4)信号发生器: 5)示波器 实验原理: 1)空气中: a.在理想气体中声波的传播速度为 ,RT ,v (1) M (式中称为质量热容比，也称“比热[容]比”，它是气体的质,,ccpV c量定压热容与质量定容热容的比值;M 是气体的摩尔质量，T是绝cpV -6-1-1JmolK对温度，R=8.314472(1?1.7×10)为摩尔气体常量。) -3干燥空气的平均摩尔质量为=28.966，10kg/mol M st T,273.15Kp,,101.3kPa b.在标准状态下(,)，干燥空气中的声速0 为=331.5m/s。在室温t?下，干燥空气中的声速为 v0 t vv,，10 (2) T0 (T,273.15K) 0 r c.然而实际空气总会有一些水蒸气。当空气中的相对湿度为时，若气温为t?时饱和蒸气压为，则水汽分压为。经过对空气平prpSs均摩尔质量 M和质量热容比 , 的修正，在温度为t、相对湿度为r的 空气中，声速为 ,,rp,,ts (3) ,，，331.5110.16 msv,,,,Tp,,0,, (在北京大气压可近似取 101kPa;相对湿度r可从干湿温度计p, 1780plg10.286,,上读出。温度t?时的饱和水汽压可用计算) psst237.3， d.式(3)的计算结果与实际的超声声速真值可能有一定偏差。 引起偏差的原因有: ~状态参量的测量误差 ~理想气体理论公式的近似性 ~实际超声声速还与频率有关的声“色散”现象等。 实验方法: A. 脉冲法:利用声波传播时间与传播距离计算声速 实验中用脉冲法测量，具体测量从脉冲声源(声发射器)到声探测器 之间的传播时间和距离，进而算出声速 (实验中声源与探测器之vtlSDSD 间基本是同一被测煤质) lSDv, tSD B. 利用声速与频率、波长的关系测量(声发射器的直径显著大于波长、声探测器的的直径小于波长(反射很少))测波长的方法有 B-1 行波近似下的相位比较法 B-2 驻波假设下的振幅极值法 B-3 发射器与探测器间距一定时的变频测量法 实验步骤: 1)用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速 a. 正确接线 将信号发生器的输出连接到声速仪的超声发射器信号的输入端的T型三通接头上，三通的另一个借口用导线连到示波器的一个输入端。声速仪的探测信号输出端连接到示波器的另一输入端上 b. 选定频率 当探测器距离发射器约100mm时，调节信号发生器的频率，调节范围为30~50kHz，同时接收信号的最大峰峰值。 得到如下数据: 20 26 32 36 38 39 40 40.5 41 42 频率(KHz) 26 1800 14 20 24 120 400 3100 1000 360 电压(mv) 44 46 50 100 20 18 作出图像: 要求选定某一使探测器输出信号幅度较大的频率作为实验测量时的声波频率，所以频率应选为40.5KHz。 c. 测同相点位置 单向缓慢移动探测器，同时观察发射器、探测器波形，当波峰在同一竖直线上时，记录此时数显卡尺读数值。然后继续移动探测器，记录七个相邻的波峰相同的位置。 2)用驻波假设下的振幅极值法测量空气中的声速 单向平移声发射器，依次找出7个相邻极大值位置，并记录。 3)用行波近似下的相位比较法测量水中的声速 实验步骤与在空气中的实验步骤基本相同(除了实验开始时把实验装置换为的水中的实验装置)频率为:90.0KHz 实验结果: 1)用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速 数据记录如下: 1 2 3 4 5 6 7 等相位 点次序 -66.12 -57.27 -48.64 -40.07 -31.30 -22.72 -14.16 数显卡 读数值 (单位:毫米) 实验前的气温23.6? 相对湿度28.7 实验后的气温25.0? 相对湿度30.2 由此计算出的空气中的理论值为:v=346.43m/s 用最小二乘法直线拟合的方法求波长得:λ=(8.65?0.04)mm 声速:(346.17?1.61)m/s 理论偏差:0.00075 2)用驻波假设下的振幅极值法测量空气中的声速 数据记录如下: 1 2 3 4 5 6 7 次序 -40.19 -35.87 -31.36 -27.25 -22.77 -18.38 -14.13 极大值 位置 (单位:毫米) 用最小二乘法直线拟合的方法求波长得:λ=(8.70?0.04)mm 声速:(347.86?1.61)m/s 理论偏差:0.0039 4)用行波近似下的相位比较法测量水中的声速 数据记录: 1 2 3 4 5 6 7 次序 30.44 47.35 65.26 82.51 99.29 116.83 134.50 位置记 录 (单位:毫米) 用最小二乘法直线拟合的方法求波长得:(λ=17.33?0.14)mm 声速:(1359.43?12.62)m/s 总结与反思:这次实验使我认识到自己对实验仪器了解的不足。课前应查找相关资料以增加对如何操作实验仪器的知识～