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 超聲波測聲速實驗簡介

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

圖1 實驗設(shè)備裝置

2 拓展實驗原理和內(nèi)容

上海交通大學(xué)開設(shè)的對超聲聲速測量的拓展實驗是在測量超聲波在均勻媒質(zhì)中傳播速度的基礎(chǔ)上，完成基本實驗教學(xué)任務(wù)，在學(xué)生有多余的時間和精力，并且感興趣的基礎(chǔ)上拓展了一些實驗內(nèi)容. 本次拓展實驗利用公式v=L/t, 測出傳播距離L和所需要的時間t，即可得到聲速，這種方法稱為時差法[4]. 拓展實驗內(nèi)容包括測空氣中超聲聲速；測空氣與小塑料珠(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和基本測量方法后，在已經(jīng)有感知的基礎(chǔ)上帶著疑問和問題通過實驗測出復(fù)合介質(zhì)的聲速與用相同方法測出空氣中聲速進(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驗現(xiàn)象，從而拓寬學(xué)生的知識面和提高學(xué)生分析問題解決問題的能力.

3 拓展實驗數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 拓展實驗數(shù)據(jù)的記錄

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

圖2 讀數(shù)記錄

表1 在各種介質(zhì)中所測得的原始數(shù)據(jù)

3.2 拓展實驗的數(shù)據(jù)處理

在均勻媒質(zhì)中測量聲速由于數(shù)據(jù)特點采用逐差法來處理，但是測復(fù)合介質(zhì)中聲速時，由于復(fù)合介質(zhì)的特點，聲波在復(fù)合介質(zhì)中衰減比較快，測量許多組數(shù)據(jù)比較困難，根據(jù)時差法所用的公式v=L/t，測量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)物理實驗中心的網(wǎng)站上下載，自己課后處理數(shù)據(jù)，也可以做完實驗直接在物理實驗中心計算機房免費進(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)，因為上海交通大學(xué)物理實驗中心許多其他實驗進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時也會用到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，這也是拓展實驗的目的.

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)第一個點偏離直線較大，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 時差法測量不同介質(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. 在實驗測得空氣中聲速實驗值與理論值相對偏差為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) 實驗結(jié)論與預(yù)期的結(jié)果相似，因為復(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，接觸點就多，相互作用時間就長，聲音傳播得慢；球越大接觸點減少，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

超聲聲波的拓展實驗讓學(xué)生學(xué)會了用已知和熟悉的知識探索未知的現(xiàn)象和理論，豐富了他們的理論知識，而且進(jìn)一步加強了解超聲聲波的傳播方式和波的特點. 因為學(xué)生測量復(fù)合介質(zhì)中聲速時發(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)行測量時，2個探頭間的距離L要比均勻媒質(zhì)空氣中要小，這樣波包隨著距離變大時基本不變形，而且容易測量，但是不能象空氣中測量許多組數(shù)據(jù)，這也是數(shù)據(jù)處理時采用Origin軟件線性擬合的原因.

參考文獻(xiàn)：

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