聲速的測(cè)量**
二十世紀(jì)以來(lái),聲學(xué)測(cè)量技術(shù)發(fā)展很快.目前聲學(xué)儀器有較大發(fā)展,并具有高保真度,很寬的頻率范圍和動(dòng)態(tài)范圍,小的非線(xiàn)性畸變和良好的瞬態(tài)響應(yīng)等.
過(guò)去,測(cè)量聲波和振動(dòng)的儀表都是模擬式電子儀表,測(cè)量的速度和準(zhǔn)確度受到一定的限制.六十年代初.出現(xiàn)了數(shù)字式儀表,直接采用數(shù)字顯示,提高了測(cè)量時(shí)讀數(shù)的準(zhǔn)確度.由于計(jì)算技術(shù)和高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路的發(fā)展,人們已能用由微處理機(jī)控制的自動(dòng)測(cè)量代替逐點(diǎn)測(cè)量,使許多需要事后計(jì)算的聲學(xué)測(cè)量和分析工作可以用微計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)算.
以微處理機(jī)為中心的測(cè)量?jī)x器,不但實(shí)現(xiàn)了小型化、多功能,而且由于采用了快速博里葉換算法,從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)分析.同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的聲學(xué)測(cè)量和分析方法,例如實(shí)時(shí)頻譜分析,聲強(qiáng)測(cè)量,聲源鑒別,瞬態(tài)信號(hào)分析,相關(guān)分析等.
今后聲學(xué)測(cè)量的任務(wù)是采用新的測(cè)量技術(shù),提出新的測(cè)量方法,使用自動(dòng)化數(shù)字式儀器,以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和速度.
回顧歷史,可以看到,在發(fā)展經(jīng)典聲學(xué)的過(guò)程中,許多研究工作是直接用人耳來(lái)聽(tīng)聲音的.直到本世紀(jì),發(fā)展了無(wú)線(xiàn)電電子學(xué),才使聲波的測(cè)量采用了電聲換能器和電子測(cè)量?jī)x器. 高性能的測(cè)量傳聲器、頻譜分析儀和聲級(jí)記錄器實(shí)現(xiàn)了聲信號(hào)的聲壓級(jí)測(cè)量,頻譜分析和聲信號(hào)特性的自動(dòng)記錄；從而可以測(cè)量各種不同頻率、不同強(qiáng)度和波形的聲波,擴(kuò)展了聲學(xué)的研究范圍,促進(jìn)了近代聲學(xué)的發(fā)展.可以期望,計(jì)算技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展,微計(jì)算機(jī)和微處理機(jī)在聲學(xué)工作中的應(yīng)用,必將促使近代聲學(xué)進(jìn)一步發(fā)展.
傳統(tǒng)方法
方法1：一個(gè)聲音產(chǎn)生后,并不會(huì)立刻傳到你的耳朵,通常要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間.除非你自己有這種經(jīng)驗(yàn),否則這是很難理解的.例如：如果你參加一個(gè)運(yùn)動(dòng)會(huì),坐在離鳴槍的人有一段距離的地方,你會(huì)先看到槍冒煙,后聽(tīng)到槍聲.這是因?yàn)楣庑羞M(jìn)的速度非?？?約1秒鐘300000公里),而聲音的速度就慢得多(約1秒種340米).所以你會(huì)立刻看到槍冒煙,但聲音要過(guò)一會(huì)兒之后才會(huì)聽(tīng)到.
于是早期測(cè)量聲音的速度是利用槍來(lái)做實(shí)驗(yàn).幫忙的人要拿著槍在一個(gè)量好的距離外,另一個(gè)人就拿著馬表站在原點(diǎn).在看到信號(hào)之后,幫忙的人就對(duì)空鳴槍.在原點(diǎn)的人一看到槍的火花和煙時(shí),就把馬表按下來(lái)；而當(dāng)他聽(tīng)到槍聲時(shí),就再按一次馬表讓馬表停下來(lái).看到火花和聽(tīng)到槍聲之間的時(shí)間,就是聲音行經(jīng)這一段量好距離所需的時(shí)間.就能算出聲音的速度.根據(jù)這一原理你不妨在今后的校運(yùn)動(dòng)會(huì)的時(shí)候試驗(yàn)一下（利用百米賽跑就可以了）.
為了測(cè)量聲音的速度你需要一個(gè)馬表和一個(gè)皮尺.量一個(gè)500公尺的距離,要盡可能量得準(zhǔn)確一點(diǎn).你和你的同學(xué)分別站在兩端；你的同學(xué)兩手各拿一塊大石頭（或者鑼、鼓、或者干脆拍手--拍手的聲音太低如果對(duì)方聽(tīng)不到就不好辦了）,你則拿一個(gè)馬表.當(dāng)你大叫“開(kāi)始”時(shí),你的同學(xué)要把石頭舉到頭頂,盡量大聲敲擊.當(dāng)你一看到石頭撞在一起,就按下馬表.等到你聽(tīng)到石頭撞擊的音,就再按一下馬表讓馬表停下來(lái).時(shí)間方面要記錄到十分之一秒.如果能多做幾次實(shí)驗(yàn),算出時(shí)間的平均值是最好的.你只要用計(jì)算機(jī)把你和你同學(xué)的距離除以時(shí)間,就可以算出聲音的速度了.
方法二.
測(cè)量聲音的速度還有一種利用回音來(lái)測(cè)量的的方法：（
所謂回聲,就是聲音在傳播的過(guò)程中碰到高大的障礙物被反射了回來(lái),不是在電視里（當(dāng)然是夸張）有時(shí)看到一個(gè)人面對(duì)大山大喊一聲,可以聽(tīng)到三個(gè)、四個(gè)甚至五個(gè)回聲嗎?
哪么我們就可以根據(jù)這樣的原理,站在離高墻較遠(yuǎn)的地方(事先測(cè)出你到高墻的距離）大聲地喊一下,在你喊的同時(shí)按下秒表,當(dāng)你聽(tīng)到自己的回聲再按一下秒表,這樣一來(lái),你的喊聲從你那兒到高墻打了一個(gè)來(lái)回,你只要把上面說(shuō)的你跟高墻的距離除以測(cè)得的時(shí)間的一半,這聲音的速度也就出來(lái)了（這里要注意的是因?yàn)槿四芊直娉鲎约旱幕芈暤臅r(shí)間間隔要超過(guò)0.1秒,聲音有傳播速度是340米每秒,所以你與墻的距離,至少不得少于17米才行,而且中間還不能有障礙物）.
利用回聲測(cè)聲音速度比較高級(jí)和精確的做法是：
利用超聲波遇到物體發(fā)生反射,超聲波發(fā)生器通過(guò)電纜線(xiàn)連與超聲接受器連為一體,接受器能將接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行處理并在電腦屏慕上顯示其波形,超聲波發(fā)生器每隔固定時(shí)間發(fā)射一短促的超聲波信號(hào),而接收到的由于障礙物反射回的超聲波信號(hào)經(jīng)儀器處理后也可在電腦屏上顯示出來(lái)（兩個(gè)波的形狀一大一小便于區(qū)分）,每個(gè)反射波與相應(yīng)的發(fā)射波之間的滯后的時(shí)間可經(jīng)電腦的處理輸出,即能直接從電腦上讀出一個(gè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物返回來(lái)的時(shí)間間隔,只要你事先測(cè)出超聲波發(fā)生器到障礙物之間的距離S,并將S除以往返時(shí)間的一半就是聲音在空氣里的傳播速度了.（超聲波在空氣中的傳播速度跟一般人能聽(tīng)得到的聲波速度是相等的）.
測(cè)量聲速最簡(jiǎn)單、最有效的方法之一是利用聲速v 、振動(dòng)頻率f和波長(zhǎng)λ之間的基本關(guān)系,即實(shí)驗(yàn)時(shí)用結(jié)構(gòu)相同的一對(duì)（發(fā)射器和接收器）超聲壓電陶瓷換能器,來(lái)作聲壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換.利用示波器觀(guān)察超聲波的振幅和相位,用振幅法和相位法測(cè)定波長(zhǎng),由示波器直接讀出頻率f.
(一)諧振頻率
超聲壓電陶瓷換能器是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部件,每對(duì)超聲壓電陶瓷換能器都有其固有的諧振頻率,當(dāng)換能器系統(tǒng)的工作頻率處于諧振狀態(tài)時(shí),發(fā)射器發(fā)出的超聲波功率最大,是最佳工作狀態(tài).
(二)振幅法
由發(fā)射器發(fā)出的聲波近似于平面波.經(jīng)接收器反射后,波將在壓電陶瓷換能器的兩端面間來(lái)回反射并且疊加.當(dāng)兩個(gè)換能器之間的距離等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生共振,產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象,波幅達(dá)到極大.由縱波的性質(zhì)可以證明,振動(dòng)位移處于波節(jié)時(shí),則聲壓是處于波腹.接收器端面近似為一波節(jié),接收到的聲壓最大,經(jīng)接收器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也最強(qiáng).聲壓變化和接收器位置的關(guān)系可從實(shí)驗(yàn)中測(cè)出,當(dāng)接收器端面移動(dòng)到某個(gè)共振位置時(shí),示波器上會(huì)出現(xiàn)最強(qiáng)的電信號(hào),如果繼續(xù)移動(dòng)接收器,將再次出現(xiàn)最強(qiáng)的電信號(hào),兩次共振位置之間的距離即為1/2λ .
(三)相位法
波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播,也可以說(shuō)是相位的傳播.沿傳播方向上的任何兩點(diǎn),其振動(dòng)狀態(tài)相同,或者說(shuō)其相位差為2π的整數(shù)倍時(shí)兩點(diǎn)間的距離應(yīng)等于波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍,利用這個(gè)公式可測(cè)量波長(zhǎng).由于發(fā)射器發(fā)出的是近似于平面波的超聲波,當(dāng)接收器端面垂直于波的傳播方向時(shí),其端面上各點(diǎn)都具有相同的相位.沿傳播方向移動(dòng)接收器時(shí),總可以找到一個(gè)位置使得接收到的信號(hào)與發(fā)射的信號(hào)同相.移過(guò)的這段距離必然等于超聲波的波長(zhǎng)λ .為了判斷相位差并且測(cè)定波長(zhǎng),可以利用雙蹤示波器直接比較發(fā)射的信號(hào)和接收的信號(hào),同時(shí)沿傳播方向移動(dòng)接收器尋找同相點(diǎn).也可以利用利薩如圖形尋找同相時(shí)橢圓退化為斜直線(xiàn)的點(diǎn). \x0d