奇文共欣赏，疑义相如析，本文是高考家长帮可爱的小编sky为大家整理的6篇声速的测定实验报告，仅供借鉴，希望大家能够喜欢。
声速测量实验 篇一
[关键词]汽车发电机；噪声测试；方案设计；声学实验
中图分类号：U463.631 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0107-01
引言
当前汽车发电机噪声测试是汽车检测的薄弱环节，但汽车发电机的噪声控制影响汽车整体的乘坐体验，是汽车发电机整体性能的重要参照指标，我国汽车制造与检测的尖端技术掌握不够全面，对汽车发电机噪声的产生与控制领域研究较浅，因此在国内缺乏有效的汽车测试验证测试实验平台，目前汽车交流发电机噪声测试的主要方法是实车实验和台架测试，实车实验中汽车发电机噪声收集和数据的整合存在大量的影响因素，一般只用于汽车舒适性性能的测试，因此在本次汽车发电机噪声的测试方案设计中采用台架测试的方式搭建实验台，对汽车发电机在汽车发动机不同工作状态下的噪声进行测试以及噪音的控制，并对发电机的噪声变化曲线进行分析，得出汽车发电机噪声的产生的规律以及影响因素，并为汽车发电机的噪声的控制提供理论支持。
1. 汽车发电机噪声来源分析
发电机通过发电机转矩的输入旋转产生电能，发电机的转速与震动的频率有直接的关系，因此根据噪声产生不同的方式分为机械噪声、电磁噪声、空气动力噪声。机械噪声是汽车发电机在机械传动中产生的噪声，机械振动的频率与噪声的性质有较大关系，是一种高频噪声，是产生车内噪音的重要来源，对乘车环境造成极大的影响。电磁噪音是汽车励磁发电机在转动过程中磁场脉冲变化产生的，发电机的定子与转子在脉冲切割作用下产生电流，并能引起转子与定子的脉冲波动，产生低频噪音。电磁噪音与发动机震动形成的性质迥异，发动机低沉的噪声，难以掩盖高频音波，因此在发动处于怠速状态时，电磁噪音尤为显著，容易引起乘车人员的察觉，并产生不适的反应，是现代汽车发电机亟待解决的问题。汽车发电机空气噪很小，汽车发电机制作工艺相对较高，采用密封设计，因此空气噪声较少。我国汽车发电机按照QC /T 729―2005行业标准进行噪声的检测控制，但是在标准中对噪音测试方案的规范性与科学性没有限定，仅仅考虑汽车发电机在正常工作状态下噪声控制的范围小于 23dB（A）。
2. 汽车发电机噪声测试方案设计
2.1 汽车发电机噪声测试实验室吸声结构设计
噪音测试实验室吸音结构的设计与方案的选择是测试环节的重要环节，对测试结果有直接的影响。实验室吸音结构采用当前技术较为前卫的尖劈吸声结构，尖劈装隔音材料通过对声波的直接过滤和多次的反射过滤实现声波的高效吸收，当声波从尖劈尖端传入时，声波会向四周扩散，借助吸声层对声波的过滤作用，隔音材料的声阻抗与空气的声阻抗能够很好的匹配，因此能够实现声波的高效吸收，在国内汽车发电机的噪声检测实验室的建设的不够完善，由于劈尖状结构的自身特点，以及材料的性质，造价较为昂贵，因此也限制了汽车发电机噪声检测技术的发展。
2.2 消声室设计
目前我国消声室的建设标准根据等级可以采用ISO3744、ISO3745、ISO3746等国标。汽车发电机噪声的检测要求精度较高，为了达到汽车发电机测试精度兼顾消声室的经济性，本此探析汽车发电机噪声测试方案设计中采用ISO3745的国际标准，针对汽车发电机在汽车不同工作状态下的噪音性质进行评定。国际声学标准对比见表1。
2.3 发动机驱动试验台设计
在消音室进行汽车发电机的消音实验中，需要汽车发动机的动态模拟。因此需要模拟汽车发动机装置。汽车发电机噪声测试方案设计采用电动机替动机的设计，通过改变电动机的速度调节参数，模拟汽车发动机不同的运动状态，通过T型的同步带进行传动，将该装置装于隔音箱中，并置于消音室较高的位置，降低电动机噪声对汽车发电机噪声测试精度的影响。电动机的代替汽车发动机的安装结构如图1所示
2.4 发电机转速测量设计
发电机转动是产生噪声的本质原因，因此要精确的测量发电机的输出转速，为了达到转速的准确控制和记录，采用常规光电脉冲信号测量结合三相交流电采集的模式，确保转速的准确测量，首先在发电机的输出转轴上设置光电脉冲的反射点，然后利用光电脉冲记录装置实现对转速的精确记录，其次利用三相电的特征采集经过换算，得出发电机的转速，由于光电脉冲采样对距离和设备的要求较高，因此在实际操作中存在许多不便，因此以采集三相交流电相频特征换算为发电机的转速为主要的汽车发电机测量手段。
3 汽车发电机噪声测试验收分析方法
汽车发电机噪声的收集与验收分析方法有两方面，一方面是对消声室背景噪音的收集与分析，环境背景噪声应该
满足小于25dB，截止频率应保持在100±5hz，另一方面需要借助专业的噪音分析设备进行音波曲线的分析，去除考核中驱动台的动态本底噪音。汽车发电机的噪声检测环境噪音值标准，见表2。
根据测试结果，记录台面的震动频率符合设定标准，通过对噪音的阶次分析，汽车发电机没有明显的共振频率，不出现幅值重合段。因此符合以上测试条件则可以判断汽车发电机的噪声控制符合使用标准。
结语
本课题通过对噪声声学环境要求的分析，确定试验设计方案中吸声结构的设计，确保噪声收集和吸引效果的准确性，搭建汽车交流发电机实验平台，建立尖劈吸声消声室，对汽车发电机噪声进行测试验证。为汽车发电机噪声的优化和改进提供必要的参考，对车辆NVH性能的提升有重要的促进作用，对汽车发电机噪声的控制研究有重大意义。
参考文献
[1] 辛阳，董大伟，闫兵，张胜杰。汽车用发电机NVH性能测试声学实验室设计及鉴定[J].噪声与振动控制。2012（03）.
[2] 胡秉奇，王以真。消声室的设计与建造――锐丰公司消声室的设计[J]. 电声技术。2011（09）.
声速测量实验 篇二
关键词：DCP；流量测验；常见问题；解决方法
Abstract: Along with the rapid development of electronic technology, acoustic doppler how the invention of the technology and into the flow field test is a revolution of the flow test, the test has no disturbance ADCP flow, a flow was measured, how the characteristics of diachronic short, can improve the flow of representative, reduce test strength, is the world's most advanced flow test equipment. This paper go navigation type discussed ADCP flow test.
Keywords: DCP; flow test; common problem; solution.
中图分类号：P332.4文献标识码：A文章编号：
ADCP 是英文Acoustic Doppler Current Profilers 的简称，即声学多普勒流速剖面仪。它是利用声学多普勒原理研制的目前世界上最先进的河流流速流量实时测量设备。ADCP 测验设备实际上包括：ADCP换能器（4个探头）以及ADCP 操作软件等2个主要部分组成。利用声学原理，ADCP向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。
1 ADCP流量测验特点
1.1 ADCP同常规流速仪测验比较
ADCP因能测量剖面的水流速度而出名，一个流速剖面可以粗略地比同于流场中有许多流速仪悬挂在同一竖直方向的区域（见图1）。理论上，每一个常规流速仪所测的流速同ADCP所测该单元水层的中心流速相一致。然而，一串流速仪所测流速并不完全同ADCP所测剖面类似。常规流速仪测量剖面上某一点的水流速度，而ADCP所测并赋予一个水深单元的流速是该样本单元中心的平均流速。
图1 一串常规流速仪同ADCP测量垂线（剖面）流速比较
1.2 航线的独立性
ADCP所测断面的流量是流经垂直于航线垂直向下投影至河底的表面的水流总量，该流量与船只从河流此岸至彼岸两点间的实际航线无关。无需对航线作出任何标志或保持直线航线，这大大简化流量的测量，特别是在航运繁忙或宽阔的河流更为明显。
1.3 非直接测量的流量
ADCP并不能测出从水面至河底的所有流速剖面，其原因是：①ADCP安装深度。ADCP声学换能器必须有足够的安装深度以保证该换能器总是完全没入水中。一般入水深度约为25cm，这个深度可以保证在适当的航速下换能器表面没有气泡（气泡会阻挡声能传入水中），同时也使船只的摇晃不致于影响换能器的正常工作。②盲区距离。由于脉冲的发射和声能的接收用的是同一个换能器，那么在发射脉冲之后到开始接收回波信号之前必须留有一小段时间（或者让出一小段声波传播的距离），这一延迟称为盲区。③旁瓣干扰。在换能器发射出来的声波主波束周围还有若干个小的锥形波束，称为旁瓣，最大的旁瓣的中心线与主波束轴线之夹角约为30°。
1.4 流量的计算
WINRIVER软件利用从第一个深度单元到不受河底或旁瓣影响的最后一个合格单元的数据计算流量。至于第一个深度单元以上的流量（根本没有进行测量）和受到河底影响的水层的流量，则通过已测得的合格数据利用外推法计算出来。
2 ADCP流量测量过程
2.1 现场测验前的准备工作
1）软件和固件的更新
由于ADCP技术的新颖性，其系统软件、固件已经并且将要不断地、经常地进行改进升级。在ADCP仪器运往现场之前，要在主用和备用的现场计算机上安装最新的的WinRiver软件。
2）现场测验前检查
为了确保ADCP工作正常，必须进行现场测验前的检查。检查包括：将ADCP与计算机连接，接通电源，进入WinRive软件的“Acquire”工作模式并“唤醒系统”。所有要用的电缆和插件必须查清，现场较难获得的备件如ADCP和计算机用的电池、电缆和数据文件备份的软盘都应作为检查的一部分备齐。
2.2 现场操作程序
1）仪器安装A
DCP通常安装在船舷一侧的支架上。安装支架应具有一定的灵活性，容易升降或翘离水面。支架要有足够的刚性，在水流冲击下不会发生振动或弯曲。安装支架位置应尽可能远离磁性物体，以避免外界磁场对ADCP内置磁罗盘的影响。ADCP换能器应没入水中至少8cm。如果水面有波浪，换能器要没入水中更深一些，以保证在整个测验过程中换能器不会露出水面或发生空蚀。
2）仪器检查
当ADCP安装在支架上，电缆连接到计算机并接通电源后，必须进行检查，以保证所有电路和传感器工作正常。通常使用ADCP软件之一的BB-TALK内的某些子程序对ADCP进行内部诊断和标定检验，并显示其内部设置，同时还将ADCP的电路和传感器进行检测。
3）设置文件
在每次测验前，用户需要根据现场条件和ADCP性能对ADCP进行参数设定。设置文件必须与测流断面的实际情况相匹配，诸如深度单元尺寸、工作模式、底跟踪和水跟踪的每组脉冲次数以及盲区等参数均要求有经验的使用者来设定，以使在现有的条件下所采集的数据质量最佳。
4）流量测验
在用ADCP采集流量数据之前，描述测流断面、日期、人员、设备和所用软件与固件版本的基本信息应记录在ADCP现场记录表上。记录每次测验的起点及终点离河岸距离及原始数据及设置文件名。
测验起点和终点的确定准则是起点和终点处的水深应保证垂线上至少有两个有效单元。起点和终点应做明显标记，以保证每次断面流量测验的起点或终点是相同的。应采用电子测距仪器、测绳或者其他能够精确测验距离的仪器测验起点和终点的离岸距离。
在正式测验前应进行一次“动底”（河底推移质）检测。做法是将测船保持在某一固定位置上至少10min，用底跟踪测验船速和位移。如果没有“动底”，由底跟踪测出的船速应为零，测船的位移近于零。如果有“动底”，由底跟踪测出的船速不为零，具有一向上游的伪船速。
3 ADCP流量测量常见问题及解决方法
声速测量实验 篇三
关键词 超声波；测距；温度检测；单片机
中图分类号：O422 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-136-01
1 设计原理与方法
1.1 声波测距原理
声波测距原理以声波在空气中的传播速度v已知为前提，测量声波从发射传播到设定障碍物所用的时间：Δt，根据如下公式算出初始测量点到设定障碍物的实际距离L：
L=v×Δt （1）
1.2 声速计算方法
本文采用由干燥空气中声速v的计算公式：
v=v0（1+T/T0）1/2? （2）
来计算声速，式中T（k）为环境温度即室温，v0=331.5 m/s为干燥空气中声音的传播速度，T0=273.15K。然而本文考虑到在实际声音传播环境中空气会由于水蒸气等不完全是干燥空气，所以仅以上式（2）测量声速会带来较大误差。由此本文决定通过测定当时环境下的空气平均摩尔质量和比热比来减少空气湿度带来的误差，即声速v：
v=331.5（1+T/T0）1/2（1+0.31r·Ps/P）1/2? （3）
可用饱和蒸汽压力和温度的关系表中查出温度为T（K）时空气的饱和蒸汽压力Ps，从干湿温度计上读出相对湿度r，P为当时大气压力。
2 实验仪器与装置
本文通过资料的查阅，认为可以通过超声波在传播过程中遇到障碍物后发生反射的原理，根据介质中超声波的传播速度，测量出超声波从波源起一直到被物体反射后重新到达波源处所用的时间，从而求出物体间待测距离。
由此，本文设计以下种方案。
2.1 发射电路的设计
在本文设计的发射电路中，传感器采用压电陶瓷传感器UCM40T（其脉冲信号的工作频率为40 kHz，超声波换能器所需的40 K方波信号由单片机的P1.0口输出）。
2.2 接收电路的设计
在本文设计的接收电路中，本文将超声波调制脉冲变为交变电压信号，并且接头采用与发射头配对的UCM40R，在对接收探头接收到的信号进行放大滤波（总放大增益为80 db）的过程中，采用途经CX20106A集成电路的办法。将中断请求信号设置为输出端7脚由高电平跃变为低电平的时刻，并将其送至单片机进行处理。
2.3 温度检测电路的设计
为了便于计算本文实验时的超声波速度 v=331.4+0.61×Tm·s-1，本文采用温度传感器检测本文实验环境下的温度。
3 数据测量与分析
根据本文的实验，本文得到以下的数据（见表1）：
表1 实验中超声波装置测量的数据（单位：cm）
对本文的实验数据的分析：
1）本文观察数据可以得出，在标定距离为200 cm-250 cm的距离范围内，测量的数据误差具有较其他范围稍大的波动性，所以本方案仍然存在一定的近距离盲区，即
2）从全程记录的16个数据来看，几乎所有的测量误差都在1 cm-2 cm，并且绝大部分都集中稳定在1 cm。所以本文认为本方案的装置适用于200 cm-500 cm（即2 m-5 m）物体间距之间的测量。
3）本文对450 cm-490 cm内的距离进行了多次的测试，发现他们的最大误差均不超过1 cm，所以该方法在该距离范围内的重复一致性比较良好。
4 结论
采用超声波测距法，设备较小，便于携带，适合于户外作业和运动作业。而且超声波在传播过程中超声波指向性强、能量消耗缓慢，在介质中传播较远，测量过程中具有线性度、稳定性和重复度好，抗干扰能力强等优点。在测定2 m-5 m范围内，理论误差可精确到1 cm之间。
同时限制实验最大可测距离存在四个因素：超声波的振幅、反射的质地、反射声波和入射声波的夹角以及接收换能器的灵敏度。为了增加测量的覆盖范围，减少测量误差，获得更小更精确的最小可测距离，本文建议使用多个超声波换能器分别作为超声波发射/接受的设计方法。而且，超声波属于声波范围，波速与温度有关，由此本文增加了对空气平均摩尔质量和比热比的修正，使得实验误差进一步降低。
综上所述，本文认为方案二着眼于单片机设计的超声波发射接收测距装置具有很多优点，突出表现为结构简单、实用、价格低廉、精确度较高（误差较小）、稳定性较强等特点。适用于2 m-5 m范围内的物体间距的测量。
参考文献
声速测量实验 篇四
【关键词】手机；应用软件；声速测量；奶茶管
【Abstract】This paper introduces a method to measure the sound speed by using the standing wave in the common milk tea tube that Opened at both ends. Just two smart phones and a tube are used in the experiment. For these instruments are readily available， we needn’t to go to the school laboratory. This inspires the students’ learning interest and enhances their practical ability.
【Key words】Phone ；App； Sound velocity measurement； Milk tea tube
在大学物理实验中测量声速的方法有多种，它们的共同点是均需要专门的实验仪器来进行实验。如果能通过一些随手可得的工具来测量声速，无疑对激发学生学习兴趣，增强学生动手能力都有很大益处。而智能手机的普及和手机应用软件开发的进步使这样的想法变为现实[1]，本文给出了一种利用普通的两端开口奶茶管的声驻波现象来测量声速的方法，只需两部智能手机和一根两端开口奶茶管即可进行实验。
1 实验原理
在力学教材教材中[2]指出声波在一端封闭管中产生驻波的条件为：
其中l为管的长度，？姿是声波的波长。
当管子两端均开口时（即开管），管中形成驻波的条件为：
其中l'为开管的长度，？姿为对应的声波波长，n=1，2，3……如图1所示，
图1 两端开口管内空气柱的基频和谐频的本征振动
这是因为：当管的两端敞开时，因空气柱与外界大气相连，其压强恒等于大气压，不会发生压缩和膨胀形变，根据驻波知识可知，只有波腹处的体积元，才不会发生形变，因此空气柱的开端必然形成位移波腹。
若知道？驻f，则可求出v的大小。
2 实验材料与步骤
实验材料：智能手机两部，耳机一个，音频发生器软件，噪声检测仪软件，奶茶管。
实验方法：
（1）将音频发生器软件安装到一部智能手机上，将噪声检测仪安装到另一部手机上；
（2）将奶茶管平放在桌上，打开音频发生器软件，并用耳机将手机发出的声音送到管子一端处；
（3）打开另一手机中的噪声检测仪软件将该手机放置于开管的另一个端口处；
（4）连续改变音频发生器的频率时，噪声检测仪所捕捉的分贝值随之改变，出现多个峰值，并且发现频率越高峰值越大。这说明在传输这些声振动时，管内一定出现驻波，出现每一个峰值时记录下与之对应的频率；
（5）分析数据计算出声速值。
3 实验数据与误差分析
其中v0为0℃时空气中的声速，其值为v0=331.45m/s，本实验进行时，温度计显示实验室温度为17.5℃，计算出的声速理论值为v=341.903m/s。
实验中，我们采用不同商家的奶茶管来测量声速。当采用长17cm、直径为8mm的奶茶管时，测出的速度为v=334.6m/s，相对误差=2.11%；当采用长17cm、直径为12mm的奶茶管时，测出的速度为v=329.6m/s，相对误差=3.598%。
从以上的数据我们可以初步看出：对于长17cm、直径为8mm和12mm的两种奶茶管而言，从数据直接得到的声速相对误差比较大。如果从这两种规格的管子中选一个的话，理应选取长17cm、直径为8mm的奶茶管，但从实验数据的准确性的角度来看，这个数据又是不太可取的。为此，我们又换了另外一种规格的奶茶管来做相同的实验，这种管子的长度为22cm、直径为8mm。其所得实验数据如表1所示：
表1 长22cm、直径为8mm的奶茶管所得实验数据（室温17.5℃）
分析表1的所得声速数据，我们发现这种规格管子的测量结果相对误差为0.791%，这样的结果要明显好于前两次的结果。对于采用这么普通的智能手机应用软件和市面上常见的奶茶管而言，能得到这样的实验数据是相当不错的。比较三次实验的数据，我们发现管长与管径比值最大的实验结果在三组中是最准确的，但这种定量关系还有待进一步研究。
4 结论
综上所述，对于常见的奶茶管，选取一定的长度、一定的直径，是可以较为准确地测量出空气中的声速的，这表明我们的实验方案是可行的。实验中所用奶茶管管长与管径比值最大的实验结果是最准确的，但这种定量关系还有待进一步研究。所以我们的实验方法也只是估测空气中的声速。即便如此，本实验方法与传统的大学物理实验中测量声速方法相比，大大降低了门槛，实验操作相对较容易，所用的实验器材也是随手可得，学生只要两台安装了免费软件的普通智能手机和一根奶茶管即可进行声速的测量。这对激发学生学习兴趣，增强学生动手能力都有很大益处。
【参考文献】
声速测量实验 篇五
关键词：声速测量；驻波法；相位比较法；数据处理；Origin软件；拟合直线
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）15-0261-03
Abstract： Data processing methods of sound velocity measurement experiment frequently use the gradual deduction method and the least square method， but need more calculation， and the process is complicated. In order to facilitate the data processing， in this paper the velocity measurement data processing using of Origin software were studied. The results show that the fitting line of standing wave method and phase comparison method is equally， also show that the datd of measuring sound velocity of the two methods have good linear relationship. But the measurement error of the phase comparison method is less than the standing wave method， illustrate the phase comparison method on the sound velocity measurement is better than that of standing wave method， but may be caused by the data interval made great when use the phase comparison method to measure . which needs further proof.
Key words： sound velocity measurement； standing wave method； phase comparison method； data processing； origin software； fitting line
1 概述
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性机械波。频率低于20Hz的声波称为次声波，频率在20～20000Hz的声波称为可闻波，而超过20000Hz的声波称为超声波[1]。超声波具有波长短，易于定向发射等特点，使得在超声波段测量声速比较方便。实际应用中超声波传播速度对于超声波测距、定位、液体流速测定、溶液浓度测定、材料弹性模量测定等方面都有重要意义[2]。声速测量方法可分为两类：第一类方法是根据关系式V=l/t，测出传播距离l和所需时间t后，即可计算出声速；第二类方法是利用关系式V=λf，测出其波长λ和频率f也可计算出声速V[3-4]。本文用到的驻波法和相位比较法属第二类方法，即利用声速和波长、频率的关系测量声速。
2 实验原理
2.1 驻波法
实验装置如图1所示，从发射换能器S1发出一定频率的平面波，经过空气传播到接收换能器S2，一部分被接收并在接收换能器电极上有电压输出，一部分向发射换能器方向反射。如果换能器的接收平面和发射平面平行，则反射波和入射波将在两端面间来回反射叠加[5-6]，由波的干涉理论可知，两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波，驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅最小的点称为波腹。由于声波传播过程中出现能量损耗，两列波形成的驻波并非理想驻波，但相邻波腹（或波节）之间的距离刚好等于半波长的整数倍，即示波器观察到的波形中相邻振幅极大值（或极小值）之间的距离为半个波长[7]。改变两只换能器间的距离l，同时用示波器监测接收换能器上的输出电压幅值变化，可观察到电压幅值随距离周期性的变化。若保证声波频率f不变，使用测试仪上的数显尺记录各相邻电压振幅极大值的位置，即可求出声波波长λ，则声速为
因此，只要测出声波频率f和波长λ，就可利用（1）式计算出声速[8]。
2.2 相位比较法
波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。声波在传播过程中各个点的相位是不同的，当发射端与接收端的距离发生变化，入射波和反射波的相位差也变化[9]。将发射换能器和接收换能器分别与示波器的Y1、Y2通道连接，那么在示波器的Y1、Y2方向就分别输入了两只换能器所在处的声波的简谐振动信号，这两个简谐振动的振幅、频率相同，干涉后形成的图形称为李萨如图形。相位差不同时，李萨如图形也不同，如图2所示。
实验时改变S1、S2之间的距离l，相当于改变了入射波和反射波之间的相位差，在示波器上可观察到相位的变化，即李萨如图形的变化。当S1和S2之间的距离变化刚好等于一个波长λ时，则发射与接收信号之间的相位差也正好变化一个周期（即φ=2π），相同的图形就会出现。实际上，从任何一个状态开始观察，只要李萨如图形复原，S2移动的距离就为一个波长，但为了取得较为准确的实验结果，实验时以李萨如图形变为直线时为记录点。只要准确观察记录相位差变化一个周期时S2移动的距离，即可得出其对应声波的波长λ，即可利用公式（1）计算出声速V[10-14]。
2.3 空气中声速的理论值
空气中的声速与环境温度和湿度有关，若只考虑温度的影响，声速的理论计算式为：
其中t为环境温度，采用摄氏温标，T0=273.15K，V0为0℃时的声速，对于空气介质V0=331.45m/s。根据（2）式可计算出t℃时空气中声速的理论值。
3 数据原始记录
根据前述实验原理，声速测量时首先要测量环境温度t，本次实验的环境温度t=13.2℃。其次是测试系统的最佳工作频率，如表1所示。用驻波法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使干涉波形的振幅达到极大值，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，依次记录振幅极大值时数显尺的读数l2、l3、……、l12，如表2所示。用相位比较法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使李萨如图形出现一、三象限斜直线，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，每出现5次一、三象限斜直线时记录一次数显尺读数，分别记为l2、l3、……、l6，如表3所示，这样两个相邻数据之间的差值为5个波长的长度。
4 数据处理及分析
4.1 空气中声速理论值
环境温度为13.2℃时，声速的理论值：
=339.364m/s
4.2 驻波法
设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=λ/2，x=i，打开Origin软件后，界面上会出现两列空白数据表格A（X）、B（Y），分别输入1～12和l1～l12的值，以i为横坐标，li为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图1所示，拟合报告如表4所示。
从图1中可以看出拟合直线和理论曲线符合得较好，即i和li具有严格的线性关系，这也可以从拟合报告中看出，因为关联系数r=0.99999，非常接近于1，所以理论曲线接近于直线。拟合报告中b=λ/2=4.76449，所以波长λ=9.52898≈9.529mm。因此声速V=λf=9.529×35.928=342.358m/s与理论值的误E=（V-Vs）/Vs=0.88%。
4.3 相位比较法
设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=5λ，x=i，打开Origin软件后，界面与驻波法一样，在数据表格A（X）、B（Y）中分别输入1～6和l1～l6，以i为横坐标，li作为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图2所示，拟合报告如表5所示。
从图2中可以看出相位比较法的拟合直线效果与驻波法一样，因为二者的关联系数r=0.99999，非常接近于1，所以相位比较法测声速时也可以得到较好的结果。拟合报告中b=5λ=47.39303，所以波长λ=9.478606≈9.479mm。因此声速V=λf=9.479×35.928=340.562m/s与理论值的误差E=（V-Vs）/Vs=0.35%。
5 结束语
本文利用Origin软件对声速测量的实验数据进行了处理，从结果上来看，驻波法和相位比较法测声速在直线拟合时效果都较好，因为二者的关联系数r一样，所以两种方法测得的实验数据都具有良好的线性关系。但两种方法测得声速实际值与理论值的误差不一样，相位比较法的误差小一些，说明相位比较法比驻波法在测声速上具有优势。但也可能是数据间隔较大引起的，驻波法的数据间隔是半波长，相位比较法的是5个波长，这点有待笔者进一步证明。
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声速测量实验 篇六
Abstract: Measure the speed of sound with four different sound velocimeter in the same experiment environmental conditions. Each instrument are used for resonance interferometry and phase measurement of acoustic wave propagation velocity in the air and make a comparative study. In the measurement of the resonance interferometry, select the digital oscilloscope to observe changes in the voltage values to determine the maximum position; in the experimental phase method, choose minimum voltage sensitivity of the oscilloscope to observe the changes of lissajous figures. The results show that the phase method is more accurate and superior than the resonance interferometry.
关键词： 声波；驻波法；相位法；数字示波器
Key words: sound waves；standing wave method；the phase method；digital oscilloscope
中图分类号：O657.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0064-02
0 引言
声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz～20KHz的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在20KHz以上的声波称为超声波。
声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化[1-4]。声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
由于超声波具有波长短、易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。超声波的发射接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现。最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。本实验就是测量频率为36.90kHz的超声波在空气中的传播速度。
1 实验原理
测量声速的方法有两种：时差法和波动法[5-8]。
时差法在工程中得到了泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过t时时间后，到达L距离处的接收换能器，所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。声波传播的距离与传播的时间存在下列关系：v=L/t。
在波动过程中波速V、波长？姿和频率f之间存在着下列关系：V=f?姿，实验中可通过测定声波的波长？姿和频率f来求得声速V，通常情况下声波的频率是已知的，这样只要测出声波在介质中传播的波长即可。常用的方法有共振干涉法与相位法。本次实验研究采用的就是利用共振干涉法和相位法展开的。
1.1 共振干涉法 装置如图1所示，压电陶瓷换能器S1作为声波发射器，它由信号源供给频率36.90千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器S2则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，压电陶瓷换能器压电效应中压力和电信号之间是正比关系，所以示波器上显示的电信号越强说明作用在压电陶瓷换能器端面上的力越大，从而说明处在S2接受器端面位置的声压也越大。由于声波要在S1和S2两器件端面之间反射多次，因此在两各端面之间形成的声波场对应的质点位移变化和声压变化不再是简单的驻波，而是行驻波，但在端面距离较小时，接收端面近似处于声压波腹位置，且相邻的两个声压极大值之间距离？驻L=?姿/2[9-11]，这样只要测量出一系列相邻的声压级极大位置就可以测出波长。
1.2 相位法 实验原理如图2所示，当发射端S1发出的平面超声波通过媒质到达接收端S2，在发射波与接收波之间产生相位差：
入射波的平面波方程：x=A1cos（?棕t+?渍1）
反射波的平面波方程：y=A2cos（?棕t+?渍2）
合振动方程为
■+■-■cos（?渍1-?渍2）=sin2（?渍2-?渍1）
此方程轨迹为椭圆，椭圆长短轴和方位由？驻？渍=（?渍2-?渍1）决定。
当？渍2-?渍1=0时，y=■x，轨迹为通过一和三象限的直线。
当？渍2-?渍1=?仔/2时，y=■+■=1，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆。