大物实验 声速测量讲义

声速测量及声波的双缝干涉与单丝衍射

声波是一种在弹性媒质中传播的机械波,声速是描述声波在媒质中传播特性的一个基本物理量。在空气中,一些波动现象,不仅可以用可见光与微波演示,也可以用声波演示。在气体中,声波是纵波而不是横波,因而不出现偏振现象,这是与电磁波现象的一个重大区别,但声音所产生的几种干涉和衍射效应与电磁波干涉和衍射效应完全相似。

由于超声波具有波长短,易于定向发射及抗干扰等优点,所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。本实验用共振干涉法和相位比较法测量声音在空气中传播的声速;并研究声波双缝干涉,单缝衍射及声波的反射现象,将测量结果与理论计算进行比较,从而对波动学的物理规律和基本概念有更深的理解。

【实验原理】

1.共振干涉法

设有一从发射源发出的一定频率的平面声波,经过空气传播,到达接收器,如果接收面与发射面严格平行,入射波即在接收面上垂直反射,入射波与反射波相干涉形成驻波,反射面处为位移的波节。改变接收器与发射源之间的距离l ,在一系列特定的距离上,媒质中出现稳定的驻波共振现象。此时,l 等于半波长的整数倍,驻波的幅度达到极大;同时,在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。不难看出,在移动接收器的过程中,相邻两次达到共振所对应的接收面之间的距离即为半波长。因此,若保持频率 v 不变,通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离

(2/λ),就可以用λv =V 计算声速。

2.相位比较法

发射波通过传声媒质到达接收器,所以在同一时刻,发射处的波与接收处的波的相位不同,其相位差 ϕ可利用示波器的李萨如图形来观察。ϕ 和角频率 ω、传播时间 t 之间有如下关系:

t ωϕ=

同时有,T /2πω=,V )T (V ,V

,代入上式得为周期式中T l t ==λ λπϕ/2l =

当,...)3,2,1(2/==n n l λ时,得πϕn =。

实验时,通过改变发射器与接收器之间的距离,可观察到相位的变化。而当相位差改变 π时,相应的距离l 的改变量即为半个波长。由波长和频率值可求出声速。

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