超声波声速测量的拓展实验

赵西梅,李向亭，周 红，沈学浩，杨卫群

(上海交通大学 物理与天文系，上海 200240)

1 超声波测声速实验简介

声波是在弹性媒质中传播的一种机械波. 对声波特性如频率、声速、波长、声压衰减等的测量是声学应用技术中的主要内容之一[1-2]. 在物理实验中,进行声速测量一般采用频率大于20 kHz以上的超声波. 在超声波段进行声速测量的优点在于超声波的波长短，可以在短距离较精确地测出声速. 超声波的发射和接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的方法是利用压电效应和磁致伸缩效应来实现的[3]. 上海交通大学开设的对超声波声速测量的拓展实验也是通过这种装置实现的，如图1所示.

图1 实验设备装置

2 拓展实验原理和内容

上海交通大学开设的对超声声速测量的拓展实验是在测量超声波在均匀媒质中传播速度的基础上，完成基本实验教学任务，在学生有多余的时间和精力，并且感兴趣的基础上拓展了一些实验内容. 本次拓展实验利用公式v=L/t, 测出传播距离L和所需要的时间t，即可得到声速，这种方法称为时差法[4]. 拓展实验内容包括测空气中超声声速；测空气与小塑料珠(直径平均约0.5 mm)组成的复合介质的声速；测空气与中塑料珠(直径平均约2 mm)组成的复合介质的声速；测空气与大塑料珠(直径平均约11 mm)组成的复合介质的声速.

目的是让学生熟知超声波的特点和基本测量方法后，在已经有感知的基础上带着疑问和问题通过实验测出复合介质的声速与用相同方法测出空气中声速进行比较，得出一些规律并且分析讨论所观察到的一些实验现象，从而拓宽学生的知识面和提高学生分析问题解决问题的能力.

3 拓展实验数据的处理与分析

3.1 拓展实验数据的记录

在图1SV-DH-3信号源上选择脉冲波驱动，并用该信号作为示波器的触发信号，获得接收的波包信号. 利用示波器的测量光标和容栅数显尺读数， 测量波包起始点时间随接收器位置L的变化t，读数记录如图2所示，得到数据见表1. (实验环境:温度25 ℃,湿度58%.)

图2 读数记录

表1 在各种介质中所测得的原始数据

3.2 拓展实验的数据处理

在均匀媒质中测量声速由于数据特点采用逐差法来处理，但是测复合介质中声速时，由于复合介质的特点，声波在复合介质中衰减比较快，测量许多组数据比较困难，根据时差法所用的公式v=L/t，测量8～12组数据做t-L图，进行最小二乘拟合，斜率的倒数就是声波速度. 这里用Origin软件进行线性拟合直接得出声波速度. Origin软件学生可以在上海交通大学物理实验中心的网站上下载，自己课后处理数据，也可以做完实验直接在物理实验中心计算机房免费进行数据处理. 我们提倡学生用Origin软件处理数据，因为上海交通大学物理实验中心许多其他实验进行数据处理时也会用到Origin软件，所以让有探索精神和有多余精力的同学多掌握一些处理数据的方法和知识，这也是拓展实验的目的.

把表1中的数据通过Origin软件进行线性拟合t=A+BL，其斜率B的倒数即声波速度，得到如图3,其中图3(d)第一个点偏离直线较大，于是剔除.

3.3 数据分析与讨论

1) 通过图3，得到空气中的声速为347 m/s，空气与小塑料环中的声速为276 m/s ，空气与中塑料珠中的声速为284 m/s ，空气与大塑料珠中的声速为330 m/s.

(a)空气

(b)空气与小塑料珠

(c)空气与中塑料珠

(d)空气与大塑料图3 时差法测量不同介质的超声声速

2) 通过图3，可以得出复合介质中超声波的传播速度随着塑料球的直径的增大而逐步变大，但没有超过均匀媒质空气中的速度. 在实验测得空气中声速实验值与理论值相对偏差为0.4%，而在这些复合介质中没有声速理论值做参考，只能根据数据变化得出定性的规律.

3) 实验结论与预期的结果相似，因为复合介质是由塑料球和空气组成，声波依靠球与球之间形成的力链进行传播[5-7]. 球越小，接触点就多，相互作用时间就长，声音传播得慢；球越大接触点减少，声波传播加快，但是球与球之间还是有空隙，也就是还有空气，所以速度还是超不过均匀媒质空气中的速度.

4 结束语

超声声波的拓展实验让学生学会了用已知和熟悉的知识探索未知的现象和理论，丰富了他们的理论知识，而且进一步加强了解超声声波的传播方式和波的特点. 因为学生测量复合介质中声速时发现，复合介质中波包的衰减比均匀媒质空气中衰减得快，而且同样条件下在复合介质中寻找稳定的波包图形也比较难，因此在复合介质中进行测量时，2个探头间的距离L要比均匀媒质空气中要小，这样波包随着距离变大时基本不变形，而且容易测量，但是不能象空气中测量许多组数据，这也是数据处理时采用Origin软件线性拟合的原因.

参考文献：

[1] 贾玉润,王公治,凌佩玲. 大学物理实验[M]. 上海:复旦大学出版社,1987:138-186.

[2] 王开圣，赵志敏，刘小延. 声速测量实验原理讨论[J]. 物理实验，2010,30(3)：25-28.

[3] 杨述武,赵立竹,沈国土. 普通物理实验[M]. 4版. 北京:高等教育出版社,2007:132-138.

[4] 童建平，隋成华，魏高尧,等. 时差法声速测量仪的研制[J]. 传感技术，2004，23(1)：28-29.

[5] 骆子喻，张雷锋，鲍凯松. 颗粒链在振动条件下的行为研究[J]. 物理实验，2010,30(12)：36-38.

[6] 史庆藩，潘北诚，阿卜杜拉,等. 不同堆构条件下颗粒柱有效质量的涨落[J]. 物理实验，2011,31(7)：45-46.

[7] 李向亭，朱连根，黄学东. 声音在物质颗粒中的传播特性[J]. 物理实验，2012，32(11)：36-37.