复旦大学：《设计性研究性物理实验》学生论文_一种非超声波测声速的方法

物理实验第20卷第12期 一种非超声波测声速的方法 吴勇童培雄赵在忠刘贵兴仲仓戟马炯 (复旦大学物理系上海200433) 摘要介绍用简单器件在可闻声波范围内测量声速的方法,以及如何解决在实验过程中遇到的问题 关键词声速可闻声波反射阻尼振荡 减快慢由时间常数τ决定,2 1前言 如果在电路中串接一个扬声器,则在扬声 在测量声速实验中用可闻声波作为声源较器上得到阻尼振荡频率为∫的电压信号·因扬 少,一般都采用超声波而超声波的频率不在人声器电感较小,损耗电阻较大,为了增大电感 耳的听觉范围内,因此在我校自学物理实验课L,以满足R2<4/条件,保留原电路中电感 程中要求改用传声器、米尺等简单器件代替超L改变电容C、电感L可以改变振荡频率∫·如 声换能器等进行声速测量.选用声波的频率在果使方波信号周期Tn》T则扬声器就能间歇 300~3001,因为语言与音乐信号的主要频发出持续时间很短(约3ms)的声波·如图3中 率分量在此范围内.但用李萨如相位比较法测箭头1所指波形由于间歇时间长,不会因前次 得声速值却与实际值相差很大,用不同频率的发出声波的反射而影响后一次接收的声波最 声波测得声速的数据波动较大(数据略).经分后根据声音传播距离与时间得出声速值 析其主要原因是当声波的频率较低时,传播方 向性没有超声波好.波在传播过程中遇到周围 的障碍物发生反射,实际接收的波是直接入射 和经反射得到的叠加波.为了消除反射波的干 扰我们改进了实验方法,不使用相位比较法 而采用以下实验方法 图1振荡电路 实验原理 3实验内容 如图1所示,在电阻R、电感L、电容C组 成电路中,输入方波信号后,电路进入不稳定的 如图2所示,RC电路中的电感L是一个 瞬态过程,当R2<4/时,电路中产生阻尼振 绕有800匝漆包线的方形线圈,L约为2mH C为0.3~6μF·方波信号周期T。为0.1s左 荡,振荡角频率为 右.扬声器上取出电压信号输入到数字示波器 CH1(通道1)上,在正对扬声器远处放上传声 器,并将接收的声波信号输入到示波器CH2 其中电阻R为电感损耗电阻与信号发生器内(通道2)上·调节1EVE”使波形同步,在示 阻的总和,振荡幅)随时间按指数规律衰减,衰波器上测得如图3所示波形.图中箭头1所指 ∴选做大学一年级自学物理实验的学生 2 01995-2005 T singhua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved

一种非超声波测声速的方法 吴 勇Ξ 童培雄 赵在忠 刘贵兴 仲仓戟3 马 炯ΞΞ (复旦大学物理系 上海 200433) 摘 要 介绍用简单器件在可闻声波范围内测量声速的方法, 以及如何解决在实验过程中遇到的问题Ζ 关键词 声速 可闻声波 反射 阻尼振荡 1 前 言 在测量声速实验中用可闻声波作为声源较 少, 一般都采用超声波Ζ而超声波的频率不在人 耳的听觉范围内, 因此在我校自学物理实验课 程中要求改用传声器、米尺等简单器件代替超 声换能器等进行声速测量Ζ 选用声波的频率在 300～ 3000H z, 因为语言与音乐信号的主要频 率分量在此范围内Ζ 但用李萨如相位比较法测 得声速值却与实际值相差很大, 用不同频率的 声波测得声速的数据波动较大(数据略) Ζ 经分 析其主要原因是当声波的频率较低时, 传播方 向性没有超声波好Ζ 波在传播过程中遇到周围 的障碍物发生反射, 实际接收的波是直接入射 和经反射得到的叠加波Ζ 为了消除反射波的干 扰, 我们改进了实验方法, 不使用相位比较法, 而采用以下实验方法Ζ 2 实验原理 如图 1 所示, 在电阻 R、电感L 、电容 C 组 成电路中, 输入方波信号后, 电路进入不稳定的 瞬态过程, 当 R 2 < 4L öC 时, 电路中产生阻尼振 荡, 振荡角频率为 Ξ = 1 L C 1 - R 2 C 4L 其中电阻 R 为电感损耗电阻与信号发生器内 阻的总和, 振荡幅度随时间按指数规律衰减, 衰 减快慢由时间常数 Σ决定, Σ= 2L öR Ζ 如果在电路中串接一个扬声器, 则在扬声 器上得到阻尼振荡频率为 f 的电压信号Ζ 因扬 声器电感较小, 损耗电阻较大, 为了增大电感 L , 以满足 R 2 < 4L öC 条件, 保留原电路中电感 L Ζ改变电容C、电感L 可以改变振荡频率f Ζ如 果使方波信号周期 T nµ Σ, 则扬声器就能间歇 发出持续时间很短(约 3m s) 的声波Ζ 如图 3 中 箭头 1 所指波形Ζ由于间歇时间长, 不会因前次 发出声波的反射而影响后一次接收的声波, 最 后根据声音传播距离与时间得出声速值Ζ 图 1 振荡电路 3 实验内容 如图 2 所示, RL C 电路中的电感L 是一个 绕有 800 匝漆包线的方形线圈, L 约为 20m ∋ Ζ C 为 013～ 6ΛFΖ 方波信号周期 T n 为 011s 左 右Ζ 扬声器上取出电压信号输入到数字示波器 CH 1 (通道 1) 上, 在正对扬声器远处放上传声 器, 并将接收的声波信号输入到示波器 CH 2 (通道 2) 上Ζ 调节“L EV EL ”使波形同步, 在示 波器上测得如图 3 所示波形Ζ 图中箭头 1 所指 物理实验 第 20 卷 第 12 期 3 Ξ ΞΞ 99 级选做大学一年级自学物理实验的学生 98 级选做大学一年级自学物理实验的学生 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

物理实验第20卷第12期 为扬声器发出的声波波形,箭头2所指为传声 表1实验数据 器接收的声波波形.从示波器上测得传声器接 Chz 收的声波的频率与加在扬声器上电压信号振荡 341342 频率f相同,这说明频率为f的声波确实通过 测量结果v=(3.41±0.01)×103m·s 空气传播被传声器接收此外,在传声器与扬声查表得室温17℃时声速值为341.如m·s(不 器的连线旁放上反射屏作为反射面,并且左右计及空气中水蒸气的影响) 移动反射屏,在示波器上将观察到传声器接收 M Pos. 1.8.0ns 的声波波形会发生变化,波形也会“移动”这是 因为尽管前一次声波的反射波不会对传声器接 收到后一次声波产生干扰,但每次发出声波前 CH2-CHI 段部分经反射也会对传声器接收到后段部分产 生影响·并且这种现象与扬声器发出的声波频 率有关,即声波频率越低,这种现象越明显·所 反相 以用对相位差要求稳定的相位法就无法正确测 得声速.但我们发现图3中接收到的声波波形 反相 最前端A点位置却没有受到反射屏移动干扰 而左右“移动”,所以可以作为基准点测量 图3声波波形图 讨论 CHI CH 1)在测量过程中,Δ在传声器能够接收 到信号范围内尽量取大,这样ΔT也可增大,减 小测量偏差 2)在实验中,如果没有数字式示波器,也可 用模拟示波器代替方法是原输入到数字式示波 器CH1上的信号改接在模拟示波器“外触发 2实验装置示意图 上,作为触发同步信号,原输入到CH2上的信号 1.SG1643信号发生器2.TDS210数字式 改接“Y”上 示波器3.米尺4.传声器5.反射屏 3)由于声源发出的声波频率在人耳听觉频 6.扬声器7RLC电路 率范围内,又直接通过声波传播的距离与所用时 实验开始,传声器正对准扬声器中心位置间得出声速,所以比较形象、直观 在数字示波器上用时间光标1确定A点位置 5参考文献 向后移动传声器,记下传声器移动的距离M 由于传声器位置发生变化,接收的声波有时间1贾玉润等大学物理实验,上海复旦大学出版社 延迟,图3中声波的波形A点向右移动.用时 987,133-136,229234 间光标2确定此时A点位置通过光标1、光标2林抒龚镇雄,普通物理实验北京人民教育出版 2就可读出声音在距离Δ内传播所需时间 社,1981.319-323 △T,则声速y=M/△r·数据记录如表1 (199912-07收稿,20009-26收修改稿) 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved

为扬声器发出的声波波形, 箭头 2 所指为传声 器接收的声波波形Ζ 从示波器上测得传声器接 收的声波的频率与加在扬声器上电压信号振荡 频率 f 相同, 这说明频率为 f 的声波确实通过 空气传播被传声器接收Ζ此外, 在传声器与扬声 器的连线旁放上反射屏作为反射面, 并且左右 移动反射屏, 在示波器上将观察到传声器接收 的声波波形会发生变化, 波形也会“移动”Ζ这是 因为尽管前一次声波的反射波不会对传声器接 收到后一次声波产生干扰, 但每次发出声波前 段部分经反射也会对传声器接收到后段部分产 生影响Ζ 并且这种现象与扬声器发出的声波频 率有关, 即声波频率越低, 这种现象越明显Ζ 所 以用对相位差要求稳定的相位法就无法正确测 得声速Ζ 但我们发现图 3 中接收到的声波波形 最前端A 点位置却没有受到反射屏移动干扰 而左右“移动”, 所以可以作为基准点测量Ζ 图 2 实验装置示意图 11SG1643 信号发生器 21TD S210 数字式 示波器 31 米尺 41 传声器 51 反射屏 61 扬声器 71RL C 电路 实验开始, 传声器正对准扬声器中心位置Ζ 在数字示波器上用时间光标 1 确定A 点位置Ζ 向后移动传声器, 记下传声器移动的距离 ∃L Ζ 由于传声器位置发生变化, 接收的声波有时间 延迟, 图 3 中声波的波形A 点向右移动Ζ 用时 间光标 2 确定此时A 点位置Ζ通过光标 1、光标 2 就可读出声音在距离 ∃L 内传播所需时间 ∃T , 则声速 v= ∃L ö∃T Ζ 数据记录如表 1Ζ 表 1 实验数据 f öH z 454 657 1064 1563 2083 vöm ·s - 1 341 342 340 340 341 测量结果 v= (3141±0101) ×102m ·s - 1 , 查表得室温 17℃时声速值为 34116m ·s - 1 (不 计及空气中水蒸气的影响) Ζ 图 3 声波波形图 4 讨 论 1) 在测量过程中, ∃L 在传声器能够接收 到信号范围内尽量取大, 这样 ∃T 也可增大, 减 小测量偏差Ζ 2) 在实验中, 如果没有数字式示波器, 也可 用模拟示波器代替Ζ方法是原输入到数字式示波 器 CH 1 上的信号改接在模拟示波器“外触发” 上, 作为触发同步信号, 原输入到CH 2 上的信号 改接“Y”上Ζ 3) 由于声源发出的声波频率在人耳听觉频 率范围内, 又直接通过声波传播的距离与所用时 间得出声速, 所以比较形象、直观Ζ 5 参考文献 1 贾玉润等Ζ 大学物理实验Ζ 上海: 复旦大学出版社, 1987Ζ 133～ 136, 229～ 234 2 林抒, 龚镇雄Ζ 普通物理实验Ζ 北京: 人民教育出版 社, 1981Ζ 319～ 323 (1999212207 收稿, 2000209226 收修改稿) 4 物理实验 第 20 卷 第 12 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved