水中声速的测量

邢 键,孙晶华

(哈尔滨工程大学物理实验教学中心,黑龙江哈尔滨150001)

水中声速的测量

邢 键,孙晶华

(哈尔滨工程大学物理实验教学中心,黑龙江哈尔滨150001)

将空气中声速测量实验拓展至水中声速的测量,将NaCl溶于水中,制成不同浓度的盐水来模拟海水,对不同盐分的“海水”中的声速进行了测量.结果表明,随着海水盐度的增加,声速也增加.

声速;模拟海水;驻波;相位

1 引 言

声速的测量是大学物理实验中一个重要的综合性实验[1].实验的主要目的是让学生了解声波在空气中的传播速度及声速与气体状态参量之间的关系,掌握示波器的使用方法.我校专业以船海为特色,理工类绝大多数专业都与船海相关,因此在大学物理实验中开展声波在海水中传播特性的综合性实验,可以让大多数与船海专业相关的学生在低年级就能通过物理实验了解声纳技术的应用及研究现状,熟悉声波在海水中传播的物理规律,掌握海水中声速的测量方法.

2 实验装置

在原声速测量实验装置的基础上,设计制作了与ZKY-SSA型超声声速测定仪相配套的实验用水槽,改进后的实验装置如图1所示.

图1 海水声速测量实验装置

3 实验原理

根据波动学理论,声速与频率、波长的关系可知,若测出声波的频率 f与波长λ,即可算出声速v.

3.1 用驻波法测量海水声速

根据驻波方程式中,A为声源振幅;ω为角频率;2πx/λ为由于波动传播到坐标x处(t时刻)引起的相位变化.

由波腹(或波节)条件可知,相邻2个波腹(或波节)间的距离为λ/2,当发射换能器S1和接收换能器S2之间的距离L恰好等于半波长的整数倍,即

时,声振幅为极大值.随着信号幅度的每次周期性的变化,L也随之改变了λ/2,该距离改变值可由游标卡尺读出,从而算出波长λ.由于频率f可测,进而由式(1)可算出声速v.

3.2 用相位法测量海水声速

当发射器与接收器之间距离为L时,在发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号之间将有相位差φ=2πL/λ=2πn+Δφ.

若将发射器驱动正弦信号与接收器接收到的正弦信号分别接到示波器的输入端X和 Y,则相互垂直的同频率正弦波干涉,其合成轨迹为李萨如图.

当接收器和发射器的距离变化等于λ时,则发射与接收信号之间的相位差也正好变化1个周期(即Δφ=2π),相同的图形就会出现.反之,当准确观测相位差变化1个周期时接收器移动的距离,即可得出其对应声波的波长λ,再根据声波的频率,即可求出声波的传播速度.

4 实验结果

实验时,用电子天平称出等质量NaCl,然后放入水槽中搅拌均匀,待NaCl溶于水后,进行测量.由于水中声速约为空气中的3倍,因此采用驻波法测量相邻2个波腹(或波节)间的距离较大,而采用相位法测量某方向的直线状态连续出现2次则需移动接收换能器S2的距离更大,并且由于换能器支架距离有限,所以测量数据有限,应从第一次出现现象时,就开始记录数据,以提高测量精度.

图2 实验结果(f=36.968 k Hz,室温t=22.2℃)

实验结果表明,纯水中声速为1 478.2 m/s,从图2可以看出水中声速随着NaCl浓度c的增加而增加,与文献[4]中的数值相当.实验误差主要来源于在水中的测量精度不高.

5 结 论

本文将大学物理实验中声速测量实验通过实验仪器的简单扩展,采用驻波法和相位法对水中声速进行了测量.用不同浓度的NaCl溶液模拟海水,测量不同浓度下的声速.拓展后的声速测量实验,进一步拓宽了学生的视野,为学生了解声纳技术的应用及研究现状,熟悉声波在海水中传播的物理规律,掌握海水中声速的测量方法提供了坚实的基础.

[1]孙晶华,梁艺军,关春颖,等.大学物理实验教程[M].北京:国防工业出版社,2009.

[2]Q IAO Chunjie,WANG Yueke,ZHONG Xiaopeng.Study of acoustic velocity measurement in seawater by using chirp signals[A].Proceedings of the 8th International Symposium on Test and Measurement[C].Chongqing,2009:1203-1206.

[3]李奥华,王惠.超声波探伤[M].北京:中国锅炉压力容器安全杂志社,2000.

[4]康崇,关春颖,黄宗军,等.大学物理实验[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2007.

[责任编辑:郭 伟]

Measuring sound velocity in water

XING Jian,SUN Jing-hua
(Center for Physics Experimental Training,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The sound velocity in artificial seawater p roduced by dissolving NaCl in the water was measured.The experimental result show ed that the sound velocity increased w ith the salinity of seawater.

sound velocity;artificial seawater;standing wave;phase

P733.21

A

1005-4642(2011)01-0034-02

“第6届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-05-30

邢 键(1979-),男,辽宁沈阳人,哈尔滨工程大学物理实验教学中心讲师,博士,从事声学及光电检测方面研究.