[实用新型]一种测量不同温度下液体声速的实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种物理实验装置，具体是涉及一种测量不同温度下液体声速的实验装置。

背景技术

声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，它是纵波，其振动方向与传播方向一致。振动状态的传播是通过媒质各点间的弹性力来实现的，因此波速取决于媒质的状态和性质(密度和弹性模量)。液体和固体的弹性模量与密度的比值一般比气体大，因而其中的声速也比较大。声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关，因而通过媒质中声速的测试，可以了解媒质的特性及状态变化。例如，测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测试这些物质中的声速来解决。可见声速测试在工业生产上具有一定的实用意义。

由于在声波传播过程中波速υ、波长λ与频率f之间存在着υ＝fλ的关系，若能同时测出媒质中声波传播的频率f及波长λ，即可求得此种媒质中声波的传播速度υ。在弹性媒质中，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz-20kHz的振动所激起的机械波称为声波，可以被人听到，也称为可闻声波；频率在20kHz以上的声波称为超声波，一般超声波的频率范围在2×10⁴Hz-5×10⁸Hz之间。超声波的传播速度就是声波的传播速度，超声波具有波长短，易于定向发射等优点，故在超声波段进行声速测试比较方便。同时，由于频率在超声波范围内，一般的音频对它没有干扰。频率f提高，波长λ就短，故在不长的距离内可测到许多个λ，取其平均值，λ的测定就较准确。

液体声速的测定是物理实验中一个常见的实验项目。测量液体声速的方法很多，大学物理实验中一般采用驻波法或相位比较法。现在的实验装置一般采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压的转换，压电陶瓷超声换能器做波源具有平面性、单色性好以及方向性强等特点。利用压电陶瓷的逆压电效应可将压电材料制成超声波发射换能器，通过信号源信号的激励引起振动，把电能转换为声能，作为超声波发射器，在空气中传播出超声波。利用压电陶瓷正压电效应可将压电材料制成超声波接收换能器，来接收空气的振动，把声能转换为电能，即把声波信号转换成电压信号，作为超声波接收器。通常选用频率特性大致形同的两只压电陶瓷超声换能器，一只作发射用，另一只作接收用。压电换能器有一谐振频率，当外加信号的频率等于系统的谐振频率时，压电换能器产生机械谐振，这时灵敏度最高。如果把超声波发射换能器S₁与超声波接收换能器S₂“面对面”放置，两者之间距离是L，信号源提供正弦交流电信号，激励超声波发射换能器振动，把电能转换为声能，发出一平面超声波。超声波接收换能器把声能转换为电能，即把声波信号转换成电压信号，同时还反射一部分超声波。这时每个换能器都相当于一个不完全的反射器，发射的声波、反射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一条直线上沿相反方向传播，于是超声波发射换能器S₁发射的超声波和超声波接收换能器S₂反射的超声波在两换能器之间的区域干涉而形成驻波。驻波相邻两波腹(或波节)之间的距离为半个波长。移动超声波接收换能器S₂的位置(即改变S₁与S₂之间的距离)，可以发现在一系列特定的位置上，S₂接收到的声压达到极大值(或极小值)，相邻极大值(或极小值)之间的距离皆为半个波长。为了测试声波的波长，可以缓慢地改变S₁、S₂之间距离，则S₂接收到的声波信号转换成的电压信号不断地由最大变到最小再变到最大，而幅度每一次周期性的变化，都相当于S₁、S₂之间距离改变了半个波长。当两者的距离L是半波长的整数倍时，每个换能器都位于波腹，此时有上式中n是整数。通过测量S₁、S₂之间的距离，用逐差法处理测量数据，可求出声波的波长，进而求出声速。

目前测量液体声速的装置主要存在以下不足：

其一，通过摇动手柄转动精密丝杆导轨移动装置，从而改变超声波发射换能器S₁和超声波接收换能器S₂之间的距离，容易产生空程误差，从而影响实验结果的准确性。

其二，采用摇动手柄带动丝杆导轨移动的装置，操作过程比较繁琐，而且实验教学过程中发现手柄容易滑丝。