超聲波聲速測(cè)量的拓展實(shí)驗(yàn)

趙西梅,李向亭，周 紅，沈?qū)W浩，楊衛(wèi)群

(上海交通大學(xué) 物理與天文系，上海 200240)

1 超聲波測(cè)聲速實(shí)驗(yàn)簡介

聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的一種機(jī)械波. 對(duì)聲波特性如頻率、聲速、波長、聲壓衰減等的測(cè)量是聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)中的主要內(nèi)容之一[1-2]. 在物理實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行聲速測(cè)量一般采用頻率大于20 kHz以上的超聲波. 在超聲波段進(jìn)行聲速測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于超聲波的波長短，可以在短距離較精確地測(cè)出聲速. 超聲波的發(fā)射和接收一般通過電磁振動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)，最常見的方法是利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的[3]. 上海交通大學(xué)開設(shè)的對(duì)超聲波聲速測(cè)量的拓展實(shí)驗(yàn)也是通過這種裝置實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置

2 拓展實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容

上海交通大學(xué)開設(shè)的對(duì)超聲聲速測(cè)量的拓展實(shí)驗(yàn)是在測(cè)量超聲波在均勻媒質(zhì)中傳播速度的基礎(chǔ)上，完成基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，在學(xué)生有多余的時(shí)間和精力，并且感興趣的基礎(chǔ)上拓展了一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 本次拓展實(shí)驗(yàn)利用公式v=L/t, 測(cè)出傳播距離L和所需要的時(shí)間t，即可得到聲速，這種方法稱為時(shí)差法[4]. 拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括測(cè)空氣中超聲聲速；測(cè)空氣與小塑料珠(直徑平均約0.5 mm)組成的復(fù)合介質(zhì)的聲速；測(cè)空氣與中塑料珠(直徑平均約2 mm)組成的復(fù)合介質(zhì)的聲速；測(cè)空氣與大塑料珠(直徑平均約11 mm)組成的復(fù)合介質(zhì)的聲速.

目的是讓學(xué)生熟知超聲波的特點(diǎn)和基本測(cè)量方法后，在已經(jīng)有感知的基礎(chǔ)上帶著疑問和問題通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出復(fù)合介質(zhì)的聲速與用相同方法測(cè)出空氣中聲速進(jìn)行比較，得出一些規(guī)律并且分析討論所觀察到的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而拓寬學(xué)生的知識(shí)面和提高學(xué)生分析問題解決問題的能力.

3 拓展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 拓展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄

在圖1SV-DH-3信號(hào)源上選擇脈沖波驅(qū)動(dòng)，并用該信號(hào)作為示波器的觸發(fā)信號(hào)，獲得接收的波包信號(hào). 利用示波器的測(cè)量光標(biāo)和容柵數(shù)顯尺讀數(shù)， 測(cè)量波包起始點(diǎn)時(shí)間隨接收器位置L的變化t，讀數(shù)記錄如圖2所示，得到數(shù)據(jù)見表1. (實(shí)驗(yàn)環(huán)境:溫度25 ℃,濕度58%.)

圖2 讀數(shù)記錄

表1 在各種介質(zhì)中所測(cè)得的原始數(shù)據(jù)

3.2 拓展實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理

在均勻媒質(zhì)中測(cè)量聲速由于數(shù)據(jù)特點(diǎn)采用逐差法來處理，但是測(cè)復(fù)合介質(zhì)中聲速時(shí)，由于復(fù)合介質(zhì)的特點(diǎn)，聲波在復(fù)合介質(zhì)中衰減比較快，測(cè)量許多組數(shù)據(jù)比較困難，根據(jù)時(shí)差法所用的公式v=L/t，測(cè)量8～12組數(shù)據(jù)做t-L圖，進(jìn)行最小二乘擬合，斜率的倒數(shù)就是聲波速度. 這里用Origin軟件進(jìn)行線性擬合直接得出聲波速度. Origin軟件學(xué)生可以在上海交通大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心的網(wǎng)站上下載，自己課后處理數(shù)據(jù)，也可以做完實(shí)驗(yàn)直接在物理實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)房免費(fèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理. 我們提倡學(xué)生用Origin軟件處理數(shù)據(jù)，因?yàn)樯虾＝煌ù髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心許多其他實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)也會(huì)用到Origin軟件，所以讓有探索精神和有多余精力的同學(xué)多掌握一些處理數(shù)據(jù)的方法和知識(shí)，這也是拓展實(shí)驗(yàn)的目的.

把表1中的數(shù)據(jù)通過Origin軟件進(jìn)行線性擬合t=A+BL，其斜率B的倒數(shù)即聲波速度，得到如圖3,其中圖3(d)第一個(gè)點(diǎn)偏離直線較大，于是剔除.

3.3 數(shù)據(jù)分析與討論

1) 通過圖3，得到空氣中的聲速為347 m/s，空氣與小塑料環(huán)中的聲速為276 m/s ，空氣與中塑料珠中的聲速為284 m/s ，空氣與大塑料珠中的聲速為330 m/s.

(a)空氣

(b)空氣與小塑料珠

(c)空氣與中塑料珠

(d)空氣與大塑料圖3 時(shí)差法測(cè)量不同介質(zhì)的超聲聲速

2) 通過圖3，可以得出復(fù)合介質(zhì)中超聲波的傳播速度隨著塑料球的直徑的增大而逐步變大，但沒有超過均勻媒質(zhì)空氣中的速度. 在實(shí)驗(yàn)測(cè)得空氣中聲速實(shí)驗(yàn)值與理論值相對(duì)偏差為0.4%，而在這些復(fù)合介質(zhì)中沒有聲速理論值做參考，只能根據(jù)數(shù)據(jù)變化得出定性的規(guī)律.

3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與預(yù)期的結(jié)果相似，因?yàn)閺?fù)合介質(zhì)是由塑料球和空氣組成，聲波依靠球與球之間形成的力鏈進(jìn)行傳播[5-7]. 球越小，接觸點(diǎn)就多，相互作用時(shí)間就長，聲音傳播得慢；球越大接觸點(diǎn)減少，聲波傳播加快，但是球與球之間還是有空隙，也就是還有空氣，所以速度還是超不過均勻媒質(zhì)空氣中的速度.

4 結(jié)束語

超聲聲波的拓展實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生學(xué)會(huì)了用已知和熟悉的知識(shí)探索未知的現(xiàn)象和理論，豐富了他們的理論知識(shí)，而且進(jìn)一步加強(qiáng)了解超聲聲波的傳播方式和波的特點(diǎn). 因?yàn)閷W(xué)生測(cè)量復(fù)合介質(zhì)中聲速時(shí)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合介質(zhì)中波包的衰減比均勻媒質(zhì)空氣中衰減得快，而且同樣條件下在復(fù)合介質(zhì)中尋找穩(wěn)定的波包圖形也比較難，因此在復(fù)合介質(zhì)中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，2個(gè)探頭間的距離L要比均勻媒質(zhì)空氣中要小，這樣波包隨著距離變大時(shí)基本不變形，而且容易測(cè)量，但是不能象空氣中測(cè)量許多組數(shù)據(jù)，這也是數(shù)據(jù)處理時(shí)采用Origin軟件線性擬合的原因.

參考文獻(xiàn)：

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