[发明专利]一种变温空气声速测量实验仪

说明书

本发明涉及一种大学物理实验热学方面的实验测定仪器，尤其是一种用于测定和验证在不同温度情况下空气中声速与热力学温度平方根成正比关系的变温空气声速测量实验仪。有一个由双层透明石英玻璃圆筒(或方筒)组成的隔热装置，在筒的两端用不易导热的非金属材料做端盖，用于发射和接收超声波的探头以及沿圆筒(或方筒)内两侧设置的与圆筒内长度一样的长条形电加热管被封闭在这个隔热装置中。超声波发射探头固定在筒内的一端，而超声波接收探头则通过一个连杆从另一端盖的通孔中穿过连接到筒外的游标测量装置上。在上述圆筒(或方筒)的端盖上留有通气孔与外界相通。长条形电加热管的控制采用PID控温方式。

技术领域

本发明涉及一种大学物理实验热学方面的实验测定仪器，尤其是一种用于测定和验证在不同温度情况下空气中声速与热力学温度平方根成正比关系的变温空气声速测量实验仪。

背景技术

目前在大学物理实验中，采用超声波来测量空气中的声速的实验非常普遍。但现有各类空气中的声速测量实验仪都是在室内的常温和开放的环境下来测量空气声速的。由于空气中的声速并非一个常量，而是一个受空气的温度、压强等因素影响较大的物理量，尤其是根据分子物理学的理论推导，在空气压强不变的情况下，空气中声速的大小与空气的热力学温度的平方根应该成正比。要定量研究和验证这一现象，现有的各类超声波声速测量实验仪器，因受开放性的测量环境的制约，都无法达到这一目的。空气中声速与热力学温度平方根成正比的关系在实践教学中仍停留在理论推导的层面，缺少这方面的仪器在普通教学实验环节来进行检测。

发明内容

为了满足教学科研的需要，本发明专门设计了一种变温空气声速测量实验仪，构建了一个由双层透明石英玻璃圆筒组成的可变温的声速测量实验系统。该系统采用稳定的均衡加热装置使超声波声速测量的局部环境内的空气温度处于人为设定的各个温度点附近并保持稳定不变，同时该测量环境内的气体又与外界周围环境保持联通使气压与外界保持不变，在这样的可变温的声速测量实验系统中，超声波声速测量探头可以自由移动不受妨碍，从而对在不同温度情况下的声速及其与实验的环境温度的关系进行定量研究。

超声波声速测量的原理是这样的：超声波属于一种波长比较短的声波，声波在空气介质中的传播是一种弹性纵波。声波的波速(又叫声速)u是声源的频率f与波长λ的乘积，即u＝fλ。在一定的声源频率f情况下，声速的测量就归结于对声波波长的测量。通过改变超声波接收和发射探头间纵向的距离，运用相位法和驻波法等常用实验方法就可精确测出超声波的波长。

在实际的声速测量中，在不同的温度情况下，声速u与温度等因素的关系由理论推导可知

上式中在给定实验条件下，γ、R、M都是常量，T为热力学温度，故有的关系。

因为在声速测量实验中是靠测量声音传播时弹性纵波的波长来测声速的。当声音传播时的环境温度改变时，弹性纵波的波长也会改变，这就要求在测量区间内空气中不能有气流的扰动，尤其是纵向的气流扰动会影响所测弹性纵波的波长，声速测量也就不准确了。

在本发明设计的仪器中，要实现准确地测量不同温度情况下的声速，必须满足以下几个必要的条件：(1)测量区间内要有一个与外界隔热的独立变温的局部环境，并且此局部环境内各处的温度要均匀、稳定，没有冷热气流的对流，以避免对声波波长测量的扰动；(2)测量区间内的气压要与外界保持一致，稳定不变；(3)测量探头的位置要便于观察和精确测量。

为此，本发明的声速测量实验系统采用双层透明石英玻璃圆筒来进行隔热，用于发射和接收超声波的探头都被封闭在这个隔热装置中。在双层透明石英玻璃圆筒两端用不易导热的非金属材料做左右两端的端盖。在该圆筒中超声波发射探头固定在圆筒内的左端盖上，而超声波接收探头则通过一个连杆从右端盖的通孔中穿过连接到圆筒外的游标测量装置上，移动测量装置的游标尺就可以改变接收探头的位置并测量超声波探头间纵向距离的改变。