声速实验装置

① 声速的测定实验报告思考题答案

声速的测量 思考题及解答
1.为什么需要在驻波系统共振状态下进行声速的测量
因为当驻波偏离共振状态时，驻波的形状不稳定且声压腹的振幅比共振时达到的
最大值小得多，当驻波系统处于共振，这时驻波腹出现稳定的最大振幅。
2.用“驻波共振法”测波长时，如何调出示波器上正弦波形？
⑴示波器“Y轴衰减”旋钮应置于较小数值档。
⑵移动接收器S2时，荧光屏上宽带的宽度应变化。如不变，可交换输入到示波
器的两接线柱位置，或交换输入到发射器S1的两接线柱位置。
⑶调节扫描频率即可调出正弦波。
3.用“相位比较法”测波长时，如何调出椭圆或直线？
⑴接收器S2接收到的信号应从示波器“X输入”端输入，发射器S1信号应输入到示波器“Y轴输入”端，且“Y轴衰减”旋钮应置于较大数值档。
⑵如果还不能出现椭圆或直线，可交换S1或S2两接线柱位置。
4.用“驻波共振法”和“相位比较法”测波长时，如严格按上述方法操作，还是调不出应有波形，怎么办？
此时可能是连接导线断路或接头接触不好，应用万用电表欧姆档对每根导线进行检查，确保每根导线无断裂，各个接头接触良好。
5.为什么在实验过程中改变S1、S2间距离时，压电换能器S1和S2两表面应保持互相平行且正对？不平行会产生什么问题？
因为只有当S1S2表面保持互相平行且正对时，S1S2间才可能形成驻波，才会出现波腹和波节，S2表面才会出现声压极大值，屏幕上才会出现正弦波振幅发生变化，由此可测超声声波波长。
如果S1、S2表面不平行，则S1、S2间形不成驻波，屏幕上正弦波振幅不会发生变化，就能用驻波共振法测波长，故实验中必须使S1、S2表面平行。
6.如何调节与判断测量系统是否处于共振状态？
使用驻波共振法，当示波器上出现振幅最大正弦波时，表示S1、S2间处于驻波共振状态。调节方法是移动S2，观察示波器上正弦波振幅变化。
7.使用“驻波共振法”测声速时，为什么示波器上观察到的是正弦波而不是驻波？
因为驻波是在发射器S1与接收器S2间形成，接收器S2接收到的是一个声压信号，在驻波波节位置，声压信号最强，输入到示波器Y偏转板，经X偏转板扫描，故示波器上观察到的是正弦波。
8.使用“驻波共振法”测声速时，示波器上观察到的正弦波振幅为什么随S1S2间距增大而越来越小？
这是因为超声波在空气中传播时，由于波动能量总有一部分会被空气吸收，波的
机械能会不断减少，波强逐渐减弱，振幅逐渐减少。
9.用“相位比较法”测声速时，为什么只有当李萨如图为直线时才读数？
因为李萨如图形为椭圆时，由于椭圆形状、大小不确定，接收器S2位置难以确定。只有当李萨如图形为直线时，图形直观唯一，容易确定S2位置。
10.测声速时，“驻波共振法”与“位相比较法”两种电路可交换吗？
不能。因为驻波共振法只把接收器S2接收到的信号输入到示波器Y偏转板，观
察到的是正弦波信号。而位相比较法把接收器S2信号输入示波器X偏转板，发射器S1
信号输入到Y偏转板，观察到的是李萨如图形。
11.为何两种方法均测半波长值而不直接测波长值？
因为超声波在空气中有衰减，如果直接测波长值，测得数据个数少，由于衰减，
后面数据测不出来。而测半波长，数据个数多，又便于用逐差法处理数据，减少
测量误差。

② 下图为一声速测量仪器的使用说明书和实验装置图，阅读并回答．（1）若把铜铃放在甲、乙的中点，则液晶显

（1）如果铜铃在甲、乙中点，则铜铃与甲的距离和与乙的距离是相等的，且由于声速相同，所以声音从铜铃到达甲、乙的时间相同．故液晶屏的示数为0；
（2）因为铜铃与甲、乙在一条直线上，所以铜铃离乙的距离总是比甲正好远甲、乙间的距离，由于乙比甲远的距离是一定的，所以声音传到乙和甲的时间差是不变的；
（3）甲和乙之间的距离一定，由于温度越高，声速越大，所以声音传播到甲和乙的时间都会减少，故时间差也会减少；
（4）设声速为v，则声音从铜铃传到甲的时间为：t₁=

③ 如图为一声速测量仪器的使用说明书和实验装置图,阅读并回答问题.

已知：
s1＝20cm＝0.2m；s2＝80cm＝0.8m
△t＝1.8ms＝0.0018s
求：v
解：
声音到达乙的时间：t乙＝s2/v＝0.8m/v
声音到达甲的时间：t甲＝s1/v＝0.2m/v
再次时间差为：△t＝t乙－t甲＝1,8ms＝0.0018s
即：0.8m/v－0.2m/v＝0.0018s
解得：v＝333.33m/s

④ 超声波声速测定实验的误差的主要原因

超声波声速测定实验中的误差的主要原因为：

1、在发射换能器与接收换能器之间不是严格的驻波场；

2、发射的有可能为球面波；

3、用接收换能器做反射面也会使误差增大；

4、调节超声波的谐振频率也会是误差增大；

5、判断最大值的位置不准确。

超声波测量是指测量频率超过16-20kHz的弹性波在岩体中传播速度的方法。

(4)声速实验装置扩展阅读：

由于超声波的波长小，发射的定向性高。所以能精确地测定超声波传播速度。

主要用于测试室内岩石试件，在测定范围小于1m时亦可用来测定围岩破裂、松动范围等。它所用的仪器与声波测量相同，仅发射装置所激发波的频率不同。

测量频率为2-20kHz的弹性波在岩体中传播速度和衰减的方法。它可用以测量岩石动弹性模量、围岩的松动范围、应力的变化和岩体工程分类的有关参数等。用于测量岩体表面和声波测井的范围为5-10m。中国矿山常用于井下测定岩石声波传播速度的仪器有SYC-2和SYC-3型。

参考资料来源：网络-超声波测量