一種測聲速的新裝置*

張 瑛 李艷茹 張皓晶 張 雄

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

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一種測聲速的新裝置*

張 瑛 李艷茹 張皓晶 張 雄

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

聲速的測定是物理學中一個基礎實驗，就目前而言已有多種測定方法可以供我們選擇，本文中介紹一種測聲速的簡單新裝置，本裝置通過聲波的反射、疊加，利用鋼管中液體的振動來測定聲音在液體中的傳播速度，該實驗操作簡單，實驗儀器精度高，可行性高，可以在物理教學中推廣使用．

聲速 鋼管 計時器 線圈 鐵錘

1 引言

在初中物理八年級全一冊中提到聲音可以在液體中傳播，但課本上并沒有談及利用實驗裝置來測量聲音在液體中的傳播速度．在大學教材《普通物理教材》中提到測量聲速常用的方法有3種：駐波法(共振干涉法)、相位比較法(李薩如圖法)、時差法．在這3種方法中，時差法的測量精度是最高的，因為駐波法和李薩如圖法是通過觀察者觀察實驗現象，實驗時難免存在一種視覺上的誤差，導致測量結果的精確度降低．

由于時差法的實驗數據由儀器本身來記錄，因此實驗誤差相對較小，測量精度最高，只需要考慮儀器本身的測量精度即可，所以在許多工程上都是采用時差法來測量聲音的傳播速度．

但是傳統的時差法實驗裝置存在設備難以調節，示波器和信號源的操作要求較高，對實驗者的實驗技能和方法沒有任何幫助，對學習者的要求較高等因素，這個實驗不適用于所有的群體，有一定的特殊性，所以本文將介紹一個實用新型的實驗裝置以協助測定聲音在液體中的傳播速度．

2 傳統時差法測聲速的實驗裝置及原理

時差法測聲速的實驗器材有：SVX信號源、示波器、脈沖發生器、接收換能器、超聲實驗裝置、控制電路．時差法測試聲速的基本原理是基于速度

通過在已知的距離內計測聲波傳播的時間；從而計算出聲波的傳播速度，在一定的距離之間 由控制電路定時發出一個聲脈沖波，經過一段距離的傳播后到達接收換能器．接收到的信號經放大，濾波后由高精度計時電路求出聲波從發出到接收這個在介質傳播中經過的時間，從而計算出在某一介質中的傳播速度．

本實驗避免了人為反應時間，直接由儀器本身來計測，所以其測量精度較高．實驗裝置如下圖1所示.

圖1 時差法測聲速的實驗裝置[1]

3 新型實驗裝置測聲速的工作原理

3.1 實驗裝置介紹

實驗裝置結構如圖2所示[2]，鐵錘(質量m=0.2 kg)，活塞(無磁性)，磁鐵片，啟動線圈，裝滿水的鋼管(長l=1.4 m)，停止線圈，計時器．鐵錘用于敲擊活塞，活塞放入鋼管中50 mm，鋼管裝滿水，起始線圈(600匝線圈)上端有磁鐵片連接應變計，把信號送給計時器，此時計時器開始計時，當聲波和水波一起運動到停止線圈時，停止線圈(3 600匝線圈)處的應變計把駐波信號傳給計時器，此時計時器停止計時．

圖2 新型實驗裝置

啟動線圈的內部組成：由鋼自攻螺釘、磁盤釹磁鐵(10 mm×4 mm)，銅桿，600匝的線圈，15 mm寬的銅管．

停止線圈的內部組成：釹磁鐵，3 600匝線圈，橡膠圈，橡膠塞子，木塊．

空心線圈傳感器原理：將感應電壓轉換成電流，利用繞成的線圈產生反饋磁場．

感應式空心線圈傳感器產生的電壓是由法拉第電磁感應定律得到

式中，n為線圈的匝數，φ為磁通量，S為線圈的截面積，B為磁感應強度．

自感電動勢的公式

式中L為自感系數，ΔI為電流的變化．

起始線圈的工作原理：當釘錘敲擊活塞，活塞向下運動，線圈中磁盤的磁鐵吸附在活塞上，線圈中的磁鐵發生移動，使得線圈的磁通量發生變化，引起線圈中自感電壓的變化，電流也發生變化，產生自感電動勢，使得應變計開始工作，應變計把信息傳遞給計時器并開始計時．

停止線圈的工作原理：當水波向下移動到底部，接觸到釹磁鐵，線圈中的磁鐵發生移動，使得線圈的磁通量發生變化，引起線圈中自感電壓的變化，電流也發生變化，產生自感電動勢，使得應變計開始工作，應變計把信息傳遞給計時器并停止計時．

3.2 測聲速實驗原理

聲速就是聲音的傳播速度，單位時間內振動波傳遞的距離，也就是聲波傳播的速度．聲波是一種縱波，因此在利用圖2的實驗裝置測聲音在水中的傳播速度實驗時，就是利用聲波的反射和疊加來產生縱波的駐波，聲音駐波的振動使得水發生振動，聲波順著水波一起移動．

實驗時用鐵錘敲打活塞，活塞突然向下移動幾毫米，此時管中的水將會出現一個波形，磁盤的磁鐵吸附在活塞上將會運動，磁鐵誘發啟動線圈，線圈處的應變計打開計時器并開始計時，當波形到達底部，它將使另一個磁盤的磁體向下移動誘發停止線圈，線圈處的應變計關閉計時器并停止計時．(鋼棒的感應磁鐵必須有效,當鐵錘接觸活塞的時候,磁鐵必須使起始線圈開始反應，木塞必須被浸入水中50 mm，聲波的能量通過水傳給磁鐵，水必須裝滿鋼管并淹沒在磁鐵的上面，聲波有足夠的能量使得水波足夠明顯)．

計時器上的時間t就是聲音在鋼管即水中的傳播時間．根據鋼管的長度和計時器所記錄的時間．測駐波的運動時間時，多做幾次實驗，測出每次實驗的時間t，利用公式

求出時間t的平均值，使用公式

計算出聲音在水中的傳播速度．

4 總結

該實驗裝置的思想來自Richard J Ward，它應用這個測聲速裝置在教學中做了10年的實驗，該實驗裝置簡單，實驗現象明顯，實驗操作方便，成本較低，學生易懂容易接受，一直深受學生的喜歡．我們可以把這個裝置在教學中推廣使用，用于彌補中學物理缺少聲速測定實驗的不足．該實驗裝置還可以改變鋼管內液體或氣體的密度、溫度、濕度來測量聲速．

1 楊述武.普通物理教學.北京:高等教育出版社，2000

2 Richard J Ward Measuring the speed of sound in water.The Physics education,2015(6):727～732

3 劉炎松.物理實驗創新研究.北京：冶金工業出版社,2009.11～19

4 曹志輝，周有慶，彭春燕，龔偉，吳濤，周華平.螺線管空心線圈電子式電壓互感器.電力系統及其自動化學報,2010(2)

5 符磊，林君，王言章，王世隆，楊蒙蒙.磁通負反饋空心線圈傳感器的特性和噪聲的研究.儀器儀表學報,2013(6)

A New Device on Measuring Sound Velocity

Zhangying Liyanru Zhanghaojing Zhangxiong

(Physical and Electronic Information Institute of Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650500)

The measurement of sound velocity is a basic experiment in physics,for now there are a variety of measuring methods for us to choose.This article introduces a new device to measure sound velocity simply.This device can determine the sound velocity in liquid by the acoustic reflex and overlay,and the liquid vibration in steel tube.This experiment can be operated smply with precision instruments.And also for its high feasibility,it can be adapted widely in physics teaching.

sound velocity;steel pipe;timer;coil;ammer

*國家教育部高等學校“物理學專業綜合改革試點”項目“物理學專業”資助．

張瑛(1991- )，女，碩士研究生在讀，物理學科教學方向．

張皓晶(1982- )，男，副教授，主要從事天體物理和物理課程與教學論方向．

2015-12-01)