由波動(dòng)理論得知,聲波的傳播速度v與聲波頻率 和波長(zhǎng) 之間的關(guān)系為 .所以只要測(cè)出聲波的頻率和波長(zhǎng),就可以求出聲速.其中聲波頻率可由產(chǎn)生聲波的電信號(hào)發(fā)生器的振蕩頻率讀出,波長(zhǎng)則可用共振法和相位比較法進(jìn)行測(cè)量.時(shí)差法可通過(guò)測(cè)量某一定間隔距離聲音傳播的時(shí)間來(lái)測(cè)量聲波的傳播速度.
壓電陶瓷換能器
本實(shí)驗(yàn)采用壓電陶瓷換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)聲壓和電壓之間的轉(zhuǎn)換.它主要由壓電陶瓷環(huán)片、輕金屬鉛（做成喇叭形狀,增加輻射面積）和重金屬（如鐵）組成.壓電陶瓷片由多晶體結(jié)構(gòu)的壓電材料鋯鈦酸鉛制成.在壓電陶瓷片的兩個(gè)底面加上正弦交變電壓,它就會(huì)按正弦規(guī)律發(fā)生縱向伸縮,從而發(fā)出超聲波.同樣壓電陶瓷可以在聲壓的作用下把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào).壓電陶瓷換能器在聲—電轉(zhuǎn)化過(guò)程中信號(hào)頻率保持不變.
如圖1所示,S1作為聲波發(fā)射器,它把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波信號(hào)向空間發(fā)射.S2是信號(hào)接收器,它把接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)供觀察.其中S1是固定的,而S2可以左右移動(dòng).
共振法測(cè)量波長(zhǎng)
由聲源S1發(fā)出的聲波（頻率為 ）,經(jīng)介質(zhì)（空氣）傳播到S2,S2在接收聲波信號(hào)的同時(shí)反射部分聲波信號(hào).如果接收面（S2）與發(fā)射面（S1）嚴(yán)格平行,入射波即在接收面上垂直反射,入射波與反射波相干涉形成駐波.反射面處是位移的波節(jié),聲壓的波腹.改變接收器與發(fā)射源之間的距離 ,在一系列特定的距離上,空氣中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象.此時(shí) 等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍,駐波的幅度達(dá)到極大；同時(shí),在接收面上的聲壓波腹也相應(yīng)地達(dá)到極大值.通過(guò)壓電轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生的電信號(hào)的電壓值也最大（示波器顯示波形的幅值最大）.因此,若保持頻率不變,通過(guò)測(cè)量相鄰兩次接收信號(hào)達(dá)到極大值時(shí)接收面之間的距離 ,即可得到該波的波長(zhǎng) （ ）,并用 計(jì)算出聲速.
相位比較法測(cè)量波長(zhǎng)
聲源S1發(fā)出聲波后,在其周?chē)纬陕晥?chǎng),聲場(chǎng)在介質(zhì)中任一點(diǎn)的振動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的,但它和聲源振動(dòng)的位相差 不隨時(shí)間變化.
設(shè)聲源方程可寫(xiě)成 ,距聲源x處S2接收到的振動(dòng)為 = cosω( － ),兩處振動(dòng)的位相差 ,若把兩處振動(dòng)分別輸入到示波器x軸和y軸（如圖2所示）,那么當(dāng) = ,即 =2 時(shí),合振動(dòng)為一斜率為正的直線.當(dāng) ,即 時(shí),合振動(dòng)為一斜率為負(fù)的直線.當(dāng)x為其它值時(shí),合振動(dòng)為橢圓.移動(dòng)S2,當(dāng)其合振動(dòng)為直線的圖形斜率正、負(fù)更替變化一次,S2移動(dòng)的距離 ,
則
時(shí)差法測(cè)量原理
以上兩種方法測(cè)聲速都是用示波器觀察波谷和波峰,或觀察兩個(gè)波間的相位差,原理是正確的,但讀數(shù)位置不易確定.較精確測(cè)量聲速是用聲波時(shí)差法.時(shí)差法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用,它是將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號(hào)加到發(fā)射換能器上,聲波在介質(zhì)中傳播,經(jīng)過(guò) 時(shí)間后,到達(dá) 距離處的接收換能器,所以可以用以下公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度見(jiàn)圖3.速度