超聲波聲速測量的拓展實驗

趙西梅,李向亭，周 紅，沈學浩，楊衛群

(上海交通大學 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應用技術中的主要內容之一[1-2]. 在物理實驗中,進行聲速測量一般采用頻率大于20 kHz以上的超聲波. 在超聲波段進行聲速測量的優點在于超聲波的波長短，可以在短距離較精確地測出聲速. 超聲波的發射和接收一般通過電磁振動與機械振動的相互轉換來實現，最常見的方法是利用壓電效應和磁致伸縮效應來實現的[3]. 上海交通大學開設的對超聲波聲速測量的拓展實驗也是通過這種裝置實現的，如圖1所示.

圖1 實驗設備裝置

2 拓展實驗原理和內容

上海交通大學開設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中傳播速度的基礎上，完成基本實驗教學任務，在學生有多余的時間和精力，并且感興趣的基礎上拓展了一些實驗內容. 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)組成的復合介質的聲速；測空氣與中塑料珠(直徑平均約2 mm)組成的復合介質的聲速；測空氣與大塑料珠(直徑平均約11 mm)組成的復合介質的聲速.

目的是讓學生熟知超聲波的特點和基本測量方法后，在已經有感知的基礎上帶著疑問和問題通過實驗測出復合介質的聲速與用相同方法測出空氣中聲速進行比較，得出一些規律并且分析討論所觀察到的一些實驗現象，從而拓寬學生的知識面和提高學生分析問題解決問題的能力.

3 拓展實驗數據的處理與分析

3.1 拓展實驗數據的記錄

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

圖2 讀數記錄

表1 在各種介質中所測得的原始數據

3.2 拓展實驗的數據處理

在均勻媒質中測量聲速由于數據特點采用逐差法來處理，但是測復合介質中聲速時，由于復合介質的特點，聲波在復合介質中衰減比較快，測量許多組數據比較困難，根據時差法所用的公式v=L/t，測量8～12組數據做t-L圖，進行最小二乘擬合，斜率的倒數就是聲波速度. 這里用Origin軟件進行線性擬合直接得出聲波速度. Origin軟件學生可以在上海交通大學物理實驗中心的網站上下載，自己課后處理數據，也可以做完實驗直接在物理實驗中心計算機房免費進行數據處理. 我們提倡學生用Origin軟件處理數據，因為上海交通大學物理實驗中心許多其他實驗進行數據處理時也會用到Origin軟件，所以讓有探索精神和有多余精力的同學多掌握一些處理數據的方法和知識，這也是拓展實驗的目的.

把表1中的數據通過Origin軟件進行線性擬合t=A+BL，其斜率B的倒數即聲波速度，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 數據分析與討論

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的超聲聲速

2) 通過圖3，可以得出復合介質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%，而在這些復合介質中沒有聲速理論值做參考，只能根據數據變化得出定性的規律.

3) 實驗結論與預期的結果相似，因為復合介質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空氣中的速度.

4 結束語

超聲聲波的拓展實驗讓學生學會了用已知和熟悉的知識探索未知的現象和理論，豐富了他們的理論知識，而且進一步加強了解超聲聲波的傳播方式和波的特點. 因為學生測量復合介質中聲速時發現，復合介質中波包的衰減比均勻媒質空氣中衰減得快，而且同樣條件下在復合介質中尋找穩定的波包圖形也比較難，因此在復合介質中進行測量時，2個探頭間的距離L要比均勻媒質空氣中要小，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據，這也是數據處理時采用Origin軟件線性擬合的原因.

參考文獻：

[1] 賈玉潤,王公治,凌佩玲. 大學物理實驗[M]. 上海:復旦大學出版社,1987:138-186.

[2] 王開圣，趙志敏，劉小延. 聲速測量實驗原理討論[J]. 物理實驗，2010,30(3)：25-28.

[3] 楊述武,趙立竹,沈國土. 普通物理實驗[M]. 4版. 北京:高等教育出版社,2007:132-138.

[4] 童建平，隋成華，魏高堯,等. 時差法聲速測量儀的研制[J]. 傳感技術，2004，23(1)：28-29.

[5] 駱子喻，張雷鋒，鮑凱松. 顆粒鏈在振動條件下的行為研究[J]. 物理實驗，2010,30(12)：36-38.

[6] 史慶藩，潘北誠，阿卜杜拉,等. 不同堆構條件下顆粒柱有效質量的漲落[J]. 物理實驗，2011,31(7)：45-46.

[7] 李向亭，朱連根，黃學東. 聲音在物質顆粒中的傳播特性[J]. 物理實驗，2012，32(11)：36-37.