一、實驗目的
掌握測量聲速的幾種方法
實際測量聲速
二、實驗儀器
sv-dh系列聲速測試儀為觀察、研究聲波在不同介質中傳播現象，測量這些介質中聲波傳播速度的專用儀器。它們都由聲速專用測試架及專用訊號源二部分組成。儀器可用於大學基礎物理實驗。
sv-dh系列聲速測試儀不但覆蓋了基礎物理聲速實驗中常用的二種測試方法，而且，在上述常規測量方法基礎上還可以用工程中實際使用的聲速測量方法時差法進行測量。在時差法工作狀態下，使用示波器，可以非常明顯、直觀地觀察聲波在傳播過程中經過多次反射、疊加而產生的混響波形。
型號與組成
sv-dh系列聲速測試儀是由聲速測試儀（測試架）和聲速測試儀訊號源二個部分組成。下列聲速測試儀都可增加固體聲速測量裝置，用於固體聲速的測量。
對於聲速測試架，有以下型號：
sv-dh-3型聲速測定儀（支架式、千分尺讀數）；
sv-dh-3a型聲速測定儀（支架式、數顯容柵尺讀數）；
sv-dh-5型聲速測定儀（液槽式、千分尺讀數）；
sv-dh-5a型聲速測定儀（液槽式、數顯容柵尺讀數）；
sv-dh-7型聲速測定儀（液槽可脫卸、千分尺讀數）。
sv-dh-7a型聲速測定儀（液槽可脫卸、數顯容柵尺讀數）。
對於訊號源，有以下型號：
svx-3型聲速測定訊號源（頻率範圍20khz～45khz，帶時差法測量脈衝訊號源）；
svx-5型聲速測定訊號源（頻率範圍20khz～45khz，帶時差法測量脈衝訊號源）；
svx-7型通用訊號源（頻率範圍50hz～50khz、帶時差法測量脈衝訊號源）；
圖1列出svx-5、svx-7聲速測試儀訊號源面板，圖2為聲速測試儀外形示意圖。
圖1 svx-5、svx-7聲速測試儀訊號源面板
調節旋鈕的作用：
訊號頻率：用於調節輸出訊號的頻率；
發射強度：用於調節輸出訊號電功率（輸出電壓）；
接收增益：用於調節儀器內部的接收增益。
圖2 聲速測試架外形示意圖
主要技術引數
1. sv-dh聲速測試儀
1.1 環境適應性：工作溫度10～35℃；相對濕度25～75%。
1.2 抗電強度：儀器能耐受50hz正弦波500v電壓1min耐壓試驗。
1.3 配對壓電陶瓷換能器：諧振頻率：35±3khz；可承受的連續電功率不小於15w。
1.4 兩換能器之間測試距離：50～280mm(支架式）、
50～350mm（水槽式）
1.5 外形：測試架外形尺寸：480mm×140mm×152mm（支架式）
530mm×140mm×160mm（水槽式）
2. svx-3型聲速測試儀訊號源
2.1 功率訊號源
2.1.1 頻率範圍：25khz～45khz
2.1.2 最大輸出電壓：15vp-p
2.1.3 最大輸出功率：5w
2.1.4 頻率顯示：5位led數字顯示
2.2 脈衝調製訊號源
2.2.1 訊號頻率：36.5khz
2.2.2 脈衝寬度：200μs
2.2.3 脈衝週期：8ms
2.3 計數定時器
2.3.1 計數定時範圍：1μs～1s
2.3.2 解析度：1μs
2.4 儀器外形尺寸：290mm×240mm×120mm
3. svx-5型綜合聲速測試儀訊號源
3.1 空氣和液體切換測量
3.2 其他同svx-3型聲速測試儀訊號源
4. svx-7型通用訊號源
4.1 空氣、液體和固體介質切換測量
4.2 頻率範圍：50～500hz，500～5khz，5khz～50khz
4.3 其他同svx-3型聲速測試儀訊號源
三、實驗原理
1.超聲波與壓電陶瓷換能器
頻率20hz-20khz的機械振動在彈性介質中傳播形成聲波，高於20khz稱為超聲波，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而超聲波具有波長短，易於定向發射等優點，聲速實驗所採用的聲波頻率一般都在20～60khz之間。在此頻率範圍內，採用壓電陶瓷換能器作為聲波的發射器、接收器效果最佳。
圖3 縱向換能器的結構簡圖。
壓電陶瓷換能器根據它的工作方式，分為縱向（振動）換能器、徑向（振動）換能器及彎曲振動換能器。聲速教學實驗中所用的大多數採用縱向換能器。圖3為縱向換能器的結構簡圖。
2.共振干涉法（駐波法）測量聲速
假設在無限聲場中，僅有乙個點聲源s1（發射換能器）和乙個接收平面（接收換能器s2）。當點聲源發出聲波後，在此聲場中只有乙個反射面（即接收換能器平面），並且只產生一次反射。
在上述假設條件下，發射波ξ1=acos（ωt+2πx /λ)。在s2處產生反射，反射波ξ2=a1cos（ωt+2πx /λ)，訊號相位與ξ1相反，幅度a1＜a。ξ1與ξ2在反射平面相交疊加，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)
由此可見，合成後的波束ξ3在幅度上，具有隨cos(2πx /λ)呈週期變化的特性，在相位上，具有隨(2πx /λ)呈週期變化的特性。
圖4所示波形顯示了疊加後的聲波幅度，隨距離按cos(2πx /λ)變化的特徵。
圖4 換能器間距與合成幅度
實驗裝置按圖7所示，圖中s1和s2為壓電陶瓷換能器。s1作為聲波發射器，它由訊號源供給頻率為數十千赫的交流電訊號，由逆壓電效應發出一平面超聲波；而s2則作為聲波的接收器，壓電效應將接收到的聲壓轉換成電訊號。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓訊號產生的正弦波形。
由於s2在接收聲波的同時還能反射一部分超聲波，接收的聲波、發射的聲波振幅雖有差異，但二者週期相同且在同一線上沿相反方向傳播，二者在s1和s2區域內產生了波的干涉，形成駐波。我們在示波器上觀察到的實際上是這兩個相干波合成後在聲波接收器s2處的振動情況。移動s2位置（即改變s1和s2之間的距離），你從示波器顯示上會發現，當s2在某此位置時振幅有最小值。
根據波的干涉理論可以知道：任何二相鄰的振幅最大值的位置之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為λ/ 2。為了測量聲波的波長，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時，緩慢的改變s1和s2之間的距離。
示波器上就可以看到聲振動幅值不斷地由最大變到最小再變到最大，二相鄰的振幅最大之間的距離為λ/2；s2移動過的距離亦為λ/2。超聲換能器s2至s1之間的距離的改變可通過轉動鼓輪
來實現，而超聲波的頻率又可由聲速測試儀訊號源頻率顯示視窗直接讀出。
圖5 用李薩如圖觀察相位變化
在連續多次測量相隔半波長的s2的位置變化及聲波頻率f以後，我們可運用測量資料計算出聲速，用逐差法處理測量的資料。
3. 相位法測量原理
由前述可知入射波ξ1與反射波ξ2疊加，形成波束ξ3
即ξ3 =a1cos(2πx /λ)cosωt+a2cos（ωt - 2πx /λ)
即對於波束：ξ1 =acos（ωt - 2πx /λ)
由此可見，在經過△x距離後，接收到的余弦波與原來位置處的相位差（相移）為θ= 2π △x /λ。如圖5所示。因此能通過示波器，用李薩如圖法觀察測出聲波的波長。
4. 時差法測量原理
連續波經脈衝調製後由發射換能器發射至被測介質中，聲波在介質中傳播，經過t時間後，到達l距離處的接收換能器。由運動定律可知，聲波在介質中傳播的速度可由以下公式求出：
速度v=距離l/時間t
圖6 發射波與接收波
通過測量二換能器發射接收平面之間距離l和時間t ,就可以計算出當前介質下的聲波傳播速度。
四、實驗步驟
圖7 駐波法、相位法連線圖
1.儀器在使用之前，加電開機預熱15min。在接通市電後，自動工作在連續波方式，選擇的介質為空氣的初始狀態。
2. 駐波法測量聲速。
2.1 測量裝置的連線
如圖7所示，訊號源面板上的發射端換能器介面（s1），用於輸出一定頻率的功率訊號，請接至測試架的發射換能器（s1）；訊號源面板上的發射端的發射波形y1，請接至雙蹤示波器的ch1（y1），用於觀察發射波形；接收換能器（s2）的輸出接至示波器的ch2（y2）
2.2 測定壓電陶瓷換能器的最佳工作點
只有當換能器s1的發射面和s2的接收面保持平行時才有較好的接收效果；為了得到較清晰的接收波形，應將外加的驅動訊號頻率調節到換能器s1、s2的諧振頻率點處時，才能較好的進行聲能與電能的相互轉換（實際上有乙個小的通頻帶），以得到較好的實驗效果。按照調節到壓電陶瓷換能器諧振點處的訊號頻率，估計一下示波器的掃瞄時基t/div，並進行調節，使在示波器上獲得穩定波形。
超聲換能器工作狀態的調節方法如下：各儀器都正常工作以後，首先調節發射強度旋鈕，使聲速測試儀訊號源輸出合適的電壓（8～10vp-p之間），再調整訊號頻率（在25～45khz），選擇合適的示波器通道增益（一般0.2v～1v/div之間的位置），觀察頻率調整時接收波的電壓幅度變化，在某一頻率點處（34.
5～37.5khz之間）電壓幅度最大，此頻率即是壓電換能器s1、s2相匹配頻率點，記錄頻率fn，改變s1和s2間的距離，適當選擇位置，重新調整，再次測定工作頻率，共測5次，取平均頻率f。
2.3 測量步驟
將測試方法設定到連續波方式，合適選擇相應得測試介質。完成前述2.1、2.
2步驟後，觀察示波器，找到接收波形的最大值。然後轉動距離調節鼓輪，這時波形的幅度會發生變化，記錄下幅度為最大時的距離li-1，距離由數顯尺（數顯尺原理說明見附錄2）或在機械刻度上讀出，再向前或者向後（必須是乙個方向）移動距離，當接收波經變小後再到最大時，記錄下此時的距離li。即有：
波長λi=2│li -li-1│，多次測定用逐差法處理資料。
3.相位法/李薩如圖法測量波長的步驟
將測試方法設定到連續波方式，合適選擇相應的測試介質。完成前述2.1、2.
2步驟後，將示波器打到「x-y」方式，並選擇合適的通道增益。轉動距離調節鼓輪，觀察波形為一定角度的斜線，記錄下此時的距離li-1；距離由數顯尺（數顯尺原理說明見附錄2）或機械刻度尺上讀出，再向前或者向後（必須是乙個方向）移動距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，記錄下此時的距離li。即有：
波長λi=│li -li-1│
4. 干涉法/相位法測量資料處理
已知波長λi和頻率f i，（頻率由聲速測試儀訊號源頻率顯示視窗直接讀出。）則聲速ci=λi×f i。
因聲速還與介質溫度有關，所以必要時請記下介質溫度t℃。
5. 時差法測量聲速步驟
圖 8 時差法測量聲速接線圖
按圖8所示進行接線。將測試方法設定到脈衝波方式，並選擇相應的測試介質。將s1和s2之間的距離調到一定距離（≥50mm），再調節接收增益，使顯示的時間差值讀數穩定，此時儀器內建的計時器工作在最佳狀態。
然後記錄此時的距離值和訊號源計時器顯示的時間值li-1、ti-1。移動s2，如果計時器讀數有跳字，則微調（距離增大時，順時針調節；距離減小時，逆時針調節）接收增益，使計時器讀數連續準確變化。記錄下這時的距離值和顯示的時間值li、ti。
則聲速ci=（li-li-1）/（ti-ti-1）。
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