声速测定实验

声速的测定基础物理实验教学中心11八月2026【实验目的】

（1）学习测量空气中声速的两种方法：共振干涉法和相位比较法。（2）加深对驻波和振动合成理论的理解。（3）进一步熟悉示波器的使用。【实验仪器】

DH-DPL声速综合实验仪示波器【实验原理】

声波是在弹性媒质中传播的机械波。声波分为可闻声波、超声波和次声波。

由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，因此在超声波段测声速比较方便。测量声速公式

实验中用压电陶瓷换能器分别产生和接收超声波；频率

由换能器谐振频率直接读出；波长采用共振干涉法或相位比较法测量；则可由上式测得声速。1、超声波的产生与接收原理压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等）在应力作用下两极产生异号电荷，两极间产生电位差，称正压电效应；压电材料两端间加上外加电压时，在另两面间能产生应变，称逆压电效应。利用上述可逆效应可将压电材料制成压电换能器，以实现超声波的发射与接收。

2、共振干涉法（驻波法）原理由声源发出的声波经前方平面反射后，在介质中入射波和反射波叠加，当满足一定的条件时，在它们之间形成驻波。

设两列波频率、振动方向和振幅相同，在x轴上传播方向相反，其波动方程为叠加后合成波方程为两波合成后介质各点都在作同频率的简谐振动，各点的振幅的各点振幅最大的各点静止不动，振幅最小处为振幅极大位置——波腹处为振幅极小位置——波节

波节处声压强最大，该处接收器输出的电信号幅度最大。

相邻两振幅极大（或振幅极小）间的距离为。

实验中利用示波器监测输出的信号幅度的变化，测得相邻两输出信号幅度最大的位置，即相邻的两个波节，就可算出波长。产生驻波的条件：3、相位比较法原理设声源S1位于处，接收器S2位于声源

处的振动方程为

位于处接收面的振动方程为

它们是两个同频率的正弦波，两处振动相位差为

当改变一个波长时，相位差正好改变。

将发射换能器S1的电信号和接收换能器S2的电信号分别输入到示波器的两个通道CH1和CH2作垂直叠加，在示波器上调出利萨如图形。当接收换能器S2移动时，两波之间的相位差发生改变，李萨如图随相位差的改变而变化。

通过准确测量相位变化2π时接收换能器移动的距离，即可得出对应的波长。按图接线。发射换能器S1接实验仪“发射端—换能器”端，实验仪“发射端—波形”端接至示波器通道1（CH1）；接收换能器S2接实验仪“接收端—换能器”端，实验仪“接收端—波形”端接至示波器通道2（CH2）。【实验内容】1．系统线路的连接【实验内容】2.谐振频率的调整

调整方法：先将S1、S2彼此接近，但不靠拢；缓慢移动S2，观测CH2通道正弦波振幅的变化，移动至首次振幅极大处；固定S2不动，仔细调节输出信号频率，再次使示波器上的电压信号达到极大值。此时信号输出频率等于换能器的谐振频率。此后，不再调节实验仪的输出信号频率。3．共振干涉法测声速

缓慢移动S2，观察CH2通道信号的变化，逐个记下相继出现的6个极大值时S2的位置。测量过程中注意回程误差。位置（mm）平均值实验记录数据用表

计算声速：将S2移至S1附近处，S2和S1接近而不靠拢。将示波器扫描时间调至“X-Y”挡，调整好利萨如图形的大小。4．相位比较法测声速

由近而远，缓慢移动S2，观察示波器上李萨如图形的变化，逐个记下李萨如图形为直线（斜率为正或斜率为负）时，S2的6个位置。

位置（mm）平均值实验记录数据用表

计算声速：3．理想气体中声速的计算温度为t时气体中的声速

若考虑到空气中总含有一些水蒸气，对上式修正，在温度为t，相对湿度为r的空气中的声速为为室温时空气的饱和蒸气压（查表）。

4．计算两次声速测量值与理论值比较的相对误差：注意游标卡尺的正确使用【注意事项】

（1）当驻波系统偏离共振状态时，驻波的形状不稳定，而且声波波腹的振幅比最大值要小得多。因此，在实验开始时，应仔细调节系统的谐振频率，使系统达到最佳的驻波共振状态。（2）声速测定仪接收端的移动是通过由丝杠、螺母构成的传动机构实现的，实验过程中要注意避免空程差，在读数过程中不退读。（3）发射强度取合适值，不能太大，不能太小。（4）使用示波器时，亮度不能调得太大，以免损坏荧光屏。

【预习思考题】

1、写出可闻声波、超声波和次声波的频率范围。

2、简述实验过程中如何使信号源的输出频率等于换能器的固有谐振频率？

3、为什么要在换能