邢 鍵,孫晶華

(哈爾濱工程大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,黑龍江哈爾濱150001)

水中聲速的測(cè)量

邢 鍵,孫晶華

(哈爾濱工程大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,黑龍江哈爾濱150001)

將空氣中聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)拓展至水中聲速的測(cè)量,將NaCl溶于水中,制成不同濃度的鹽水來(lái)模擬海水,對(duì)不同鹽分的“海水”中的聲速進(jìn)行了測(cè)量.結(jié)果表明,隨著海水鹽度的增加,聲速也增加.

聲速;模擬海水;駐波;相位

1 引 言

聲速的測(cè)量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要的綜合性實(shí)驗(yàn)[1].實(shí)驗(yàn)的主要目的是讓學(xué)生了解聲波在空氣中的傳播速度及聲速與氣體狀態(tài)參量之間的關(guān)系,掌握示波器的使用方法.我校專(zhuān)業(yè)以船海為特色,理工類(lèi)絕大多數(shù)專(zhuān)業(yè)都與船海相關(guān),因此在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展聲波在海水中傳播特性的綜合性實(shí)驗(yàn),可以讓大多數(shù)與船海專(zhuān)業(yè)相關(guān)的學(xué)生在低年級(jí)就能通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)了解聲納技術(shù)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀,熟悉聲波在海水中傳播的物理規(guī)律,掌握海水中聲速的測(cè)量方法.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

在原聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)制作了與ZKY-SSA型超聲聲速測(cè)定儀相配套的實(shí)驗(yàn)用水槽,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 海水聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)波動(dòng)學(xué)理論,聲速與頻率、波長(zhǎng)的關(guān)系可知,若測(cè)出聲波的頻率 f與波長(zhǎng)λ,即可算出聲速v.

3.1 用駐波法測(cè)量海水聲速

根據(jù)駐波方程式中,A為聲源振幅;ω為角頻率;2πx/λ為由于波動(dòng)傳播到坐標(biāo)x處(t時(shí)刻)引起的相位變化.

由波腹(或波節(jié))條件可知,相鄰2個(gè)波腹(或波節(jié))間的距離為λ/2,當(dāng)發(fā)射換能器S1和接收換能器S2之間的距離L恰好等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍,即

時(shí),聲振幅為極大值.隨著信號(hào)幅度的每次周期性的變化,L也隨之改變了λ/2,該距離改變值可由游標(biāo)卡尺讀出,從而算出波長(zhǎng)λ.由于頻率f可測(cè),進(jìn)而由式(1)可算出聲速v.

3.2 用相位法測(cè)量海水聲速

當(dāng)發(fā)射器與接收器之間距離為L(zhǎng)時(shí),在發(fā)射器驅(qū)動(dòng)正弦信號(hào)與接收器接收到的正弦信號(hào)之間將有相位差φ=2πL/λ=2πn+Δφ.

若將發(fā)射器驅(qū)動(dòng)正弦信號(hào)與接收器接收到的正弦信號(hào)分別接到示波器的輸入端X和 Y,則相互垂直的同頻率正弦波干涉,其合成軌跡為李薩如圖.

當(dāng)接收器和發(fā)射器的距離變化等于λ時(shí),則發(fā)射與接收信號(hào)之間的相位差也正好變化1個(gè)周期(即Δφ=2π),相同的圖形就會(huì)出現(xiàn).反之,當(dāng)準(zhǔn)確觀測(cè)相位差變化1個(gè)周期時(shí)接收器移動(dòng)的距離,即可得出其對(duì)應(yīng)聲波的波長(zhǎng)λ,再根據(jù)聲波的頻率,即可求出聲波的傳播速度.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí),用電子天平稱(chēng)出等質(zhì)量NaCl,然后放入水槽中攪拌均勻,待NaCl溶于水后,進(jìn)行測(cè)量.由于水中聲速約為空氣中的3倍,因此采用駐波法測(cè)量相鄰2個(gè)波腹(或波節(jié))間的距離較大,而采用相位法測(cè)量某方向的直線(xiàn)狀態(tài)連續(xù)出現(xiàn)2次則需移動(dòng)接收換能器S2的距離更大,并且由于換能器支架距離有限,所以測(cè)量數(shù)據(jù)有限,應(yīng)從第一次出現(xiàn)現(xiàn)象時(shí),就開(kāi)始記錄數(shù)據(jù),以提高測(cè)量精度.

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(f=36.968 k Hz,室溫t=22.2℃)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,純水中聲速為1 478.2 m/s,從圖2可以看出水中聲速隨著NaCl濃度c的增加而增加,與文獻(xiàn)[4]中的數(shù)值相當(dāng).實(shí)驗(yàn)誤差主要來(lái)源于在水中的測(cè)量精度不高.

5 結(jié) 論

本文將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器的簡(jiǎn)單擴(kuò)展,采用駐波法和相位法對(duì)水中聲速進(jìn)行了測(cè)量.用不同濃度的NaCl溶液模擬海水,測(cè)量不同濃度下的聲速.拓展后的聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步拓寬了學(xué)生的視野,為學(xué)生了解聲納技術(shù)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀,熟悉聲波在海水中傳播的物理規(guī)律,掌握海水中聲速的測(cè)量方法提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

[1]孫晶華,梁藝軍,關(guān)春穎,等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

[2]Q IAO Chunjie,WANG Yueke,ZHONG Xiaopeng.Study of acoustic velocity measurement in seawater by using chirp signals[A].Proceedings of the 8th International Symposium on Test and Measurement[C].Chongqing,2009:1203-1206.

[3]李?yuàn)W華,王惠.超聲波探傷[M].北京:中國(guó)鍋爐壓力容器安全雜志社,2000.

[4]康崇,關(guān)春穎,黃宗軍,等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007.

[責(zé)任編輯:郭 偉]

Measuring sound velocity in water

XING Jian,SUN Jing-hua
(Center for Physics Experimental Training,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The sound velocity in artificial seawater p roduced by dissolving NaCl in the water was measured.The experimental result show ed that the sound velocity increased w ith the salinity of seawater.

sound velocity;artificial seawater;standing wave;phase

P733.21

A

1005-4642(2011)01-0034-02

“第6屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2010-05-30

邢 鍵(1979-),男,遼寧沈陽(yáng)人,哈爾濱工程大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心講師,博士,從事聲學(xué)及光電檢測(cè)方面研究.