【摘要】空氣中的波速檢測(cè)是個(gè)綜合性很強(qiáng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中也具有十分重要的意義，因而許多高等高校都把它列為必選的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。本文用共振干涉法和相位比較法對(duì)空氣中的波速進(jìn)行了研究，得到聲波在空氣中的傳播速率分別為341.54以及341.99ms-1，與理論值343.54ms-1比較接近，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了偏差處理。
【關(guān)鍵詞】聲速；空氣；共振干涉法；相位比較法
0序言
近幾年來(lái)隨著聲學(xué)的發(fā)展，測(cè)量聲學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。諸如：無(wú)損檢查、流體測(cè)速、探傷、定位、測(cè)距等[1]。波速的檢測(cè)在聲學(xué)測(cè)量領(lǐng)域占有十分重要的地位。空氣中的波速檢測(cè)實(shí)驗(yàn)因其應(yīng)用性強(qiáng)、便于操作、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)被好多院校選作基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。媒質(zhì)的特點(diǎn)及狀態(tài)等誘因決定了聲波在其中傳播的速率，通過(guò)媒質(zhì)中波速的測(cè)定，如：檢測(cè)氯丁橡膠乳霜的比重、氯氣、蔗糖的含量以及輸油管中不同油品的分界面等等可以了解媒質(zhì)的特點(diǎn)或狀態(tài)變化，因而波速測(cè)定在個(gè)別工業(yè)生產(chǎn)上具有極其重要的實(shí)用意義[2]。在教學(xué)中通常采用以下兩種理論方式來(lái)檢測(cè)波速：第一種是檢測(cè)聲波傳播的距離s和時(shí)間t，之后依照公式v=s/t估算出波速。這些技巧學(xué)校采用的比較多。另一種是檢測(cè)聲波的頻度f(wàn)和波長(zhǎng)λ。之后依照任何相鄰的振幅最大值的位置之間波動(dòng)過(guò)程中波速v、波長(zhǎng)λ和頻度f(wàn)之間存在著下述關(guān)系：v=λf，估算出波速[3]。目前院校中普遍采用的是這套理論。而在實(shí)際操作中，也有好多不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。諸如雙蹤示波法[4]，聲音共鳴法[5]，串?dāng)_法[6]等。本文中本文用共振干涉法和相位比較法首先測(cè)定了波速在空氣中的傳播速率，并與理論值進(jìn)行比較，之后進(jìn)行偏差剖析，便于測(cè)量檢測(cè)方式的實(shí)用性。
1理論技巧
1.1共振干涉法（串?dāng)_法）
聲源S1發(fā)出的聲波經(jīng)空氣傳播到位置S2，S2在接收S1的聲波訊號(hào)的同時(shí)反射部份聲波訊號(hào)，假如接收面與發(fā)射面嚴(yán)格平行，則入射波就在接收面上垂直反射，反射波與發(fā)射波會(huì)形成相干涉都會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。聲源S1發(fā)出聲波的震動(dòng)等式為：A1=Acos（wt-2πx/λ），聲源S2反射的聲波的震動(dòng)多項(xiàng)式為A2=Acos（wt-2πx/λ），二者互相疊加產(chǎn)生的串?dāng)_的震動(dòng)等式為：A3=2Acos（2πx/λ）cos（wt），w為聲波的角頻度，t為聲波傳播經(jīng)過(guò)的時(shí)間大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 聲速的測(cè)定，λ為檢測(cè)聲波的波長(zhǎng)，x為聲波經(jīng)過(guò)的距離。可以看出兩列波疊加以后產(chǎn)生的串?dāng)_的硬度隨距離之間按cos（2πx/λ）規(guī)律變化。假如改變S2位置，即改變S1與S2之間的距離，則任何相鄰的振幅最大值的位置之間或則相鄰的振幅最小值的位置之間的距離均為λ/2。
1.2相位比較法
聲源S1發(fā)出聲波后才會(huì)在其周圍產(chǎn)生聲場(chǎng)，設(shè)聲源S1的震動(dòng)多項(xiàng)式為A1=Acos（wt），并且在聲場(chǎng)中的任一點(diǎn)S2的自震動(dòng)相位是隨時(shí)間而變化的，比如S2接收到的震動(dòng)為A1=Acos（w（t-x/v）），但此點(diǎn)和聲源的震動(dòng)相位差不隨時(shí)間變化。S1和S2震動(dòng)的相位差為？駐φ=ωx/v。當(dāng)x=nλ，合震動(dòng)為一斜率為正的直線，當(dāng)x=（2n+1）λ/2時(shí)，合震動(dòng)為一斜率為負(fù)的直線，當(dāng)x為其它值時(shí)，合成震動(dòng)為形狀不同的橢圓形，聯(lián)通S2，當(dāng)其合震動(dòng)連續(xù)兩次為正斜率直線時(shí)，S2聯(lián)通的距離即為一個(gè)波長(zhǎng)。
2數(shù)據(jù)處理
2.1聲波頻度的測(cè)定
任何相鄰的振幅最大值的位置之間波動(dòng)過(guò)程中波速、波長(zhǎng)和頻度之間存在著下述關(guān)系：v=λf，觀察接收波的電流幅度變化，在某一頻度點(diǎn)處電流幅度最大，此頻度即是f。改變S2的位置（即改變S1、S2之間的距離）直到示波器顯示的正弦波振幅達(dá)到最大值，再度記下此時(shí)頻度f(wàn)的數(shù)據(jù)于表1。
2.2共振干涉法檢測(cè)聲波的波長(zhǎng)
改變S1、S2之間的距離，當(dāng)接收波形的振幅為最大值時(shí)，讀出S2的位置x1，沿同一方向繼續(xù)改變S1、S2之間的距離，當(dāng)波形振幅再度為最大時(shí)，讀出S2的位置x2，為了提升檢測(cè)的確切性，共檢測(cè)五組數(shù)據(jù)，每組檢測(cè)6次，把每次檢測(cè)的數(shù)據(jù)列xi，記錄到表格2中。
2.4相位法檢測(cè)聲波的波長(zhǎng)
對(duì)于相位法來(lái)說(shuō)，首先觀察李薩如圖的變化規(guī)律。當(dāng)觀察到波形為正斜率直線時(shí)，記下S2的位置x1，改變S2的位置，記下示波器出現(xiàn)正斜率直線時(shí)S2的位置x2。為減輕偏差，S2的檢測(cè)位置改變了6次。之后重新改變S2的起始位置，重復(fù)剛剛的步驟，一共檢測(cè)五組數(shù)據(jù)。把每一組檢測(cè)得到檢測(cè)列xi計(jì)入表格3中。
2.6結(jié)果剖析
在檢測(cè)時(shí)，偏差似乎難以清除，但我們可以通過(guò)多種方式降低偏差。第一種是多次重復(fù)檢測(cè)取平均值。在一組條件完全相同的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，某些檢測(cè)值肯能會(huì)出現(xiàn)異常，如檢測(cè)值偏大或偏小，多次重復(fù)檢測(cè)可以使檢測(cè)值分布更平均，檢測(cè)結(jié)果更接近真值。在這個(gè)試驗(yàn)中，每次實(shí)驗(yàn)都重復(fù)測(cè)量5組數(shù)據(jù)。諸如串?dāng)_法檢測(cè)聲波的波長(zhǎng)中，盡管單次檢測(cè)存在一定的偏差，聲波的波長(zhǎng)結(jié)果分別是346.69m/s，344.08m/s，337.75m/s，342.59m/s，在這種結(jié)果中有的小于理論值，有的大于理論值，并且取平均值后就比較接近于理論值，多次重復(fù)檢測(cè)的方式可以減輕偏差的形成，提升檢測(cè)的確切度。第二種是借助逐差法處理數(shù)據(jù)。所謂逐差法，是把檢測(cè)數(shù)據(jù)中的因變量進(jìn)行逐條相加或按次序分為兩組進(jìn)行對(duì)應(yīng)項(xiàng)相加，之后將所得差值作為因變量的多次檢測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的技巧。逐差法可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的借助率，降低隨機(jī)偏差的影響，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中處理數(shù)據(jù)常用的一種技巧。
逐差法是針對(duì)自變量等量變化，因變量也做等量變化時(shí)，所測(cè)得有序數(shù)據(jù)等間隔相加后取其逐差平均值得到的結(jié)果。其優(yōu)點(diǎn)是充分借助了檢測(cè)數(shù)據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 聲速的測(cè)定，具有對(duì)數(shù)據(jù)取平均的療效，可及時(shí)發(fā)覺差錯(cuò)或數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，及時(shí)糾正或及時(shí)總結(jié)數(shù)據(jù)規(guī)律。這兒在估算聲波波長(zhǎng)時(shí)我們用逐差法處理數(shù)據(jù)保持了多次檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，充分的借助了所有的檢測(cè)結(jié)果，盡可能的減少了偏差，增強(qiáng)了檢測(cè)的確切性。
3推論
首先由波速測(cè)定專用訊號(hào)源讀出聲波頻度，用共振干涉法和相位比較法求出波長(zhǎng)。最后由v=λf分別得到聲波在空氣中的傳播速率，實(shí)驗(yàn)值與理論值比較接近，說(shuō)明這兩種方式檢測(cè)波速的可行性。
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