液体中声速的研究
液体中声速的研究[20191219224009]
摘要
声速测定实验是大学物理实验中的一个重要的综合性实验。本文采用控制变量法，改变不同参量，从而得出不同参数下的液体中的声速。通过这个实验，可以让大家了解不同参数下的液体中的声速。 这个实验通过实验仪器的简单扩展，采用驻波法，相位法对液体声速进行测量。在不同介质中，不同的温度下，不同浓度下，测量液体中的声速。主要是让我们通过这个实验了解声波在液体中的传播速度及声速与温度，浓度，介质的关系。
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关键字:声速控制变量法温度浓度介质
目录
1. 引言 2
1.1研究现状 2
1.2目的与意义 2
1.3研究的主要内容 3
2.实验原理 3
2.1测定压电陶瓷换能器的最佳工作点 4
2.2共振干涉法（驻波法）测量声速 4
2.3 相位法测量原理 6
2.4实验仪器 7
3.实验数据处理与结论 9
3.1测量步骤 9
3.1.1相位法/李萨如图法测量波长的步骤 9
3.2共振干涉法测量 10
3.3不同介质下声速情况 10
3.4不同温度下声速情况 11
3.4.1不同温度下，水中声速 11
3.4.2不同温度下，蔗糖溶液中声速 12
3.4.3不同温度下，NACL溶液中声速 13
3.5不同浓度下声速情况 14
3.5.1NACL溶液中 14
3.5.2蔗糖溶液中 15
3.6实验结论 16
结束语 17
参考文献 18
致谢 19
1. 引言
1.1研究现状
声速的测量是一个很重要的物理实验，国内外做了很多研究。近代意义上的水声学可以追溯到1826年瑞士物理学家科拉顿和法国数学家是斯特姆在日内瓦湖测量声在水中传播的速度。实验中，利用超声波进行测量是研究液体分子物理特性及其化学特性的简易方法，因为超声波具有波长短，易于定向发射的特点。在不同物质中，通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量蔗糖溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的密度等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决【1】。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。在不同浓度下，食盐水浓度与声速成正比关系，食盐水浓度越大声速越快，且具有较明显的线性关系。由于液体的成份不同及温度的不同可能测量声时相同,不能单由声时来确定液体成份;但对同一温度下不同的液体成份却是不同的声时,即温度及液体成份一定,则必有唯一的声时相对应;反过来根据测得的声时及测得的温度也必有唯一的液体成份相对应,所以可以用超声波进行液体成份分析，只要测声速及温度这两个参量即可 [2]。本文主要采用驻波法和相位法，对液体中的声速进行测量。
1.2目的与意义
声速的测量是大学物理实验中一个重要的综合性实验【3】。 实验的主要目的是让大家了解声波在液体中的传播速度及声速与液体中，不同参数之间的关系。掌握示波器的使用方法。拓展后的声速测量实验，可以让大家通过物理实验，熟悉声波在液体中传播的物理规律, 掌握液体中声速的测量方法。
1.3研究的主要内容
本文利用驻波法，相位法测量了超声波在液体中的传播特性，即超声波在水中的传播速度随温度，浓度，介质的变化规律。主要做了以下工作：
1. 在液体中，保持相同的温度和浓度，改变介质，测量声速。
2．在液体中，保持相同的介质和浓度，改变温度，测量声速。
3．在液体中，保持相同的介质和温度，改变浓度，测量声速。
2.实验原理
本实验采用杭州大华制造有限公司的HZDH综合声速测定仪信号源和声速测定仪。
超声波与压电陶瓷换能器频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间[4]。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。
图1 纵向换能器的结构简图
压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图1为纵向换能器的结构简图。
2.1测定压电陶瓷换能器的最佳工作点
只有当换能器S1的发射面和S2的接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到换能器S1、S2的谐振频率点处时，才能较好的进行声能与电能的相互转换（实际上有一个小的通频带），以得到较好的实验效果。按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率，估计一下示波器的扫描时基t/div，并进行调节，使在示波器上获得稳定波形【5】。超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节发射强度旋钮，使声速测试仪信号源输出合适的电压（8～10VP-P之间），再调整信号频率（在25～45kHz），选择合适的示波器通道增益（一般0.2V～1V/div之间的位置），观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5～37.5kHz之间）电压幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，记录频率FN，改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重新调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率f。
2.2共振干涉法（驻波法）测量声速
假设在无限声场中，仅有一个点声源S1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。
在上述假设条件下，发射波ξ1=Acos（ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射，反射波ξ2=A1cos（ωt+2πx /λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A1＜A。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加，合成波束ξ3
ξ3=ξ1+ξ2=(A1+A2）cos（ωt-2πx /λ)+A1cos（ωt+2πx /λ)
=A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos（ωt - 2πx /λ)
由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx /λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx /λ)呈周期变化的特性【6】。
实验装置中，S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1和S2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况【7】。移动S2位置（即改变S1和S2之间的距离），从示波器显示上会发现，当S2在某此位置时振幅有最小值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为λ/ 2。为了测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的改变S1和S2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间的距离为λ/2；S2移动过的距离亦为λ/2。超声换能器S2至S1之间的距离的改变可通过转动鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。
在连续多次测量相隔半波长的S2的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。
2.3 相位法测量原理
由前述可知入射波ξ1与反射波ξ2叠加，形成波束ξ3
即ξ3 =A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos（ωt - 2πx /λ)
即对于波束：ξ1 =Acos（ωt - 2πx /λ)
由此可见，在经过△x距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差为θ= 2π △x /λ。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长【8】。
图 2 驻波法、相位法连线图
如图2所示，信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出一定频率的功率信号，请接至测试架的发射换能器（S1）；信号源面板上的发射端的发射波形Y1，请接至双踪示波器的CH1（Y1），用于观察发射波形；接收换能器（S2）的输出接至示波器的CH2（Y2）【9】。
摘要
声速测定实验是大学物理实验中的一个重要的综合性实验。本文采用控制变量法，改变不同参量，从而得出不同参数下的液体中的声速。通过这个实验，可以让大家了解不同参数下的液体中的声速。 这个实验通过实验仪器的简单扩展，采用驻波法，相位法对液体声速进行测量。在不同介质中，不同的温度下，不同浓度下，测量液体中的声速。主要是让我们通过这个实验了解声波在液体中的传播速度及声速与温度，浓度，介质的关系。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:声速控制变量法温度浓度介质
目录
1. 引言 2
1.1研究现状 2
1.2目的与意义 2
1.3研究的主要内容 3
2.实验原理 3
2.1测定压电陶瓷换能器的最佳工作点 4
2.2共振干涉法（驻波法）测量声速 4
2.3 相位法测量原理 6
2.4实验仪器 7
3.实验数据处理与结论 9
3.1测量步骤 9
3.1.1相位法/李萨如图法测量波长的步骤 9
3.2共振干涉法测量 10
3.3不同介质下声速情况 10
3.4不同温度下声速情况 11
3.4.1不同温度下，水中声速 11
3.4.2不同温度下，蔗糖溶液中声速 12
3.4.3不同温度下，NACL溶液中声速 13
3.5不同浓度下声速情况 14
3.5.1NACL溶液中 14
3.5.2蔗糖溶液中 15
3.6实验结论 16
结束语 17
参考文献 18
致谢 19
1. 引言
1.1研究现状
声速的测量是一个很重要的物理实验，国内外做了很多研究。近代意义上的水声学可以追溯到1826年瑞士物理学家科拉顿和法国数学家是斯特姆在日内瓦湖测量声在水中传播的速度。实验中，利用超声波进行测量是研究液体分子物理特性及其化学特性的简易方法，因为超声波具有波长短，易于定向发射的特点。在不同物质中，通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量蔗糖溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的密度等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决【1】。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。在不同浓度下，食盐水浓度与声速成正比关系，食盐水浓度越大声速越快，且具有较明显的线性关系。由于液体的成份不同及温度的不同可能测量声时相同,不能单由声时来确定液体成份;但对同一温度下不同的液体成份却是不同的声时,即温度及液体成份一定,则必有唯一的声时相对应;反过来根据测得的声时及测得的温度也必有唯一的液体成份相对应,所以可以用超声波进行液体成份分析，只要测声速及温度这两个参量即可 [2]。本文主要采用驻波法和相位法，对液体中的声速进行测量。
1.2目的与意义
声速的测量是大学物理实验中一个重要的综合性实验【3】。 实验的主要目的是让大家了解声波在液体中的传播速度及声速与液体中，不同参数之间的关系。掌握示波器的使用方法。拓展后的声速测量实验，可以让大家通过物理实验，熟悉声波在液体中传播的物理规律, 掌握液体中声速的测量方法。
1.3研究的主要内容
本文利用驻波法，相位法测量了超声波在液体中的传播特性，即超声波在水中的传播速度随温度，浓度，介质的变化规律。主要做了以下工作：
1. 在液体中，保持相同的温度和浓度，改变介质，测量声速。
2．在液体中，保持相同的介质和浓度，改变温度，测量声速。
3．在液体中，保持相同的介质和温度，改变浓度，测量声速。
2.实验原理
本实验采用杭州大华制造有限公司的HZDH综合声速测定仪信号源和声速测定仪。
超声波与压电陶瓷换能器频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz之间[4]。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器效果最佳。
图1 纵向换能器的结构简图
压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图1为纵向换能器的结构简图。
2.1测定压电陶瓷换能器的最佳工作点
只有当换能器S1的发射面和S2的接收面保持平行时才有较好的接收效果；为了得到较清晰的接收波形，应将外加的驱动信号频率调节到换能器S1、S2的谐振频率点处时，才能较好的进行声能与电能的相互转换（实际上有一个小的通频带），以得到较好的实验效果。按照调节到压电陶瓷换能器谐振点处的信号频率，估计一下示波器的扫描时基t/div，并进行调节，使在示波器上获得稳定波形【5】。超声换能器工作状态的调节方法如下：各仪器都正常工作以后，首先调节发射强度旋钮，使声速测试仪信号源输出合适的电压（8～10VP-P之间），再调整信号频率（在25～45kHz），选择合适的示波器通道增益（一般0.2V～1V/div之间的位置），观察频率调整时接收波的电压幅度变化，在某一频率点处（34.5～37.5kHz之间）电压幅度最大，此频率即是压电换能器S1、S2相匹配频率点，记录频率FN，改变S1和S2间的距离，适当选择位置，重新调整，再次测定工作频率，共测5次，取平均频率f。
2.2共振干涉法（驻波法）测量声速
假设在无限声场中，仅有一个点声源S1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器S2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。
在上述假设条件下，发射波ξ1=Acos（ωt+2πx /λ)。在S2处产生反射，反射波ξ2=A1cos（ωt+2πx /λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A1＜A。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加，合成波束ξ3
ξ3=ξ1+ξ2=(A1+A2）cos（ωt-2πx /λ)+A1cos（ωt+2πx /λ)
=A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos（ωt - 2πx /λ)
由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx /λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx /λ)呈周期变化的特性【6】。
实验装置中，S1作为声波发射器，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而S2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于S2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在S1和S2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器S2处的振动情况【7】。移动S2位置（即改变S1和S2之间的距离），从示波器显示上会发现，当S2在某此位置时振幅有最小值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为λ/ 2。为了测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的改变S1和S2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间的距离为λ/2；S2移动过的距离亦为λ/2。超声换能器S2至S1之间的距离的改变可通过转动鼓轮来实现，而超声波的频率又可由声速测试仪信号源频率显示窗口直接读出。
在连续多次测量相隔半波长的S2的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。
2.3 相位法测量原理
由前述可知入射波ξ1与反射波ξ2叠加，形成波束ξ3
即ξ3 =A1cos(2πx /λ)cosωt+A2cos（ωt - 2πx /λ)
即对于波束：ξ1 =Acos（ωt - 2πx /λ)
由此可见，在经过△x距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差为θ= 2π △x /λ。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长【8】。
图 2 驻波法、相位法连线图
如图2所示，信号源面板上的发射端换能器接口（S1），用于输出一定频率的功率信号，请接至测试架的发射换能器（S1）；信号源面板上的发射端的发射波形Y1，请接至双踪示波器的CH1（Y1），用于观察发射波形；接收换能器（S2）的输出接至示波器的CH2（Y2）【9】。
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