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关于声速测量实验的研究与设计

2011-12-26 18:27 来源:教育研究 人参与在线咨询

摘  要:就声速的测量实验三种测量方法,通过实验数据进行分析说明,便于提高实验者的实验技能。
关键词:声速;实验;测量方法;实验数据;技能
    声速的测量实验,基本有三种测量方法:驻波法(共振干涉法);相位比较法(李萨如图法); 时差法。通过对三种测量方法分析,我认为三种测量方法各有优缺点。前两种方法存在一定的视觉测量误差,测量结果不确定性的增大,容易引起测量精确度的降低,但操作性强,便于实验者技能的培养;后一种方法精确度大大提高,在实际工程中,时差法测量声速得到广泛的应用,但因为由仪器本身来计测有关数据,对实验者的实验技能和技巧没有太大帮助。建议实验者带着比对、加深印象目的使用这三种方法进行测量声速。建议优先用相位法、驻波法测量并分析误差的原因,有利于理论和技能的综合提高。如增加实验组数,也有效增加了测量的精确度。下面就三种方法简单介绍并实验说明。
    实验介绍:
    1、驻波法(共振干涉法)  由测试架上发射换能器发射出的声波经介质传播到接收换能器时,在接收换能器表面(是一个平面)产生反射。此时反射波与入射波在换能器表面叠加,叠加后的波形具有驻波特性。从声波理论可知,当二个声波幅度相同,方向相反进行传播时,在它们的相交处进行声波干涉现象,出现驻波。而声强在波幅处最小,在波节处最大。所以调节接收换能器的位置,通过示波器看到的波形幅度也随位置的变化而出现起伏,因为是靠目测幅度的变化来知道它的波长,所以难以得到很精确的结果。特别是在液体中传播,由于声波在液体中衰减较小,发射出的声波在很多因素影响下产生多次反射叠加,在接收换能器表面已经是多个回波的叠加(混响),叠加后的波形的驻波特征较为复杂,并不是根据单纯的两束波叠加来观察它的幅度变化,来求出波长。因此用通常的两束波叠加的公式来求速度,其精确性大为下降,导致测量结果不确定性的增大。通过在测试槽中的左、中、右三处进行测量,可以明确看出用通常的计算公式,在不同的地方计算得到的声速是不一样的。
    2、相位比较法(李萨如图法)  声速在传播途中的各个点的相位是不同的,当发射点与接收点的距离变化,二者的相位差也变化。通过示波器用李萨如图法进行波长的测量。与驻波法相同的是都是目测波形的变化来求它的波长,同样测量结果存在着一定的不确定性。同样因为声波在液体中传播存在着多个回波的干涉影响,从而导致测量结果的不确定性的增大。
    3、时差法  在实际工程中,时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度 =距离S/时间T,通过在已知的距离内计测声波传播的时间;从而计算出声波的传播速度,在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波,经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大,滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间,从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法,而由仪器本身来计测,所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时,由于只检测首先到达的声波的时间,而与其它回波无关,这样回波的影响比较小,因此测量的结果较为准确,所以工程中往往采用时差法来测量。
 

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