声音在颗粒物质中的传播特性

李向亭，朱莲根，黄学东

（上海交通大学物理系，上海200240）

声音在颗粒物质中的传播特性

李向亭，朱莲根，黄学东

（上海交通大学物理系，上海200240）

在声速的测量实验中，测量了声音在颗粒物质中的传播速度，经过数据分析，得到声音通过平均直径为0.5mm的玻璃珠的传播速度为258.5m／s.该实验只在原有的实验装置上增加了一些玻璃珠，学生即可了解现代软凝聚态中前沿研究中颗粒物质的性质.

声速测量；颗粒物质；复合介质；玻璃珠；软凝聚态

1 引 言

颗粒物质是指大量固体颗粒间相互作用组成的复杂体系，该体系中颗粒粒径大于1μm.如果颗粒无黏性，那么它们之间只有斥力，材料的形状将取决于外边界和重力场.如果颗粒是干燥的，任何间隙物质，比如空气，对颗粒系统的很多流动和静态性质的影响通常可以忽略.然而，尽管这些看起来很简单，但颗粒态与其他熟悉的物质形态——固态、液态和气态有着完全不同的性质，因此可以把颗粒态看成是物质的另外一种形态.颗粒物质研究已经成为现代软凝聚态研究中的前沿问题［1］.

声速的测量是大学物理实验中的最普通的实验，为了在大学物理教学中把最基本的教学和现代研究结合，笔者在声速的测量实验中引入了测量声音在玻璃珠中的传播速度内容，让学生在学习了最基本的测量方法同时，也接触到了现代科学研究前沿的内容.

2 实 验

实验装置如图1所示，图中S1和S2为压电晶体换能器，S1作为声波源，它被低频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向空气中定向发出近似的平面声波；S2为超声波接收器.SV－DH－3为信号发生器，可发射脉冲波和连续波.用示波器可观测发射信号S1和接收信号S2，测量玻璃珠中的声速时把S1和S2放入装有玻璃珠的容器中，如图2所示.

图1 非线性元件频率响应实验电路

图2 实验仪器和玻璃珠

测量玻璃珠中声速的实验中用的是每组10个的方脉冲，每组间隔为15ms，每个脉冲间隔为20μs.图3所示是S2位于某位置L时接收信号的波形图，因为入射的是脉冲方波信号，其中包含频率成分比较多，但是因为传感器有一定的频率

“第7届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

图3 方脉冲经过玻璃珠后形成的波形

3 实验结果与分析

测量结果如图4所示，位置与时间基本上成线性关系，做线性最小二乘拟合，线性相关系数为0.999 9以上，直线的斜率就是要测的声速.图中得到的声速为258.5m／s.实验时用的玻璃珠直径平均值为0.5mm.

图4 实验数据处理

声音在玻璃珠中传播其实是声音在空气和玻璃组成的复合介质中传播，情况非常复杂.现代理论认为［1－2］压力声波沿着力链传播，如图5所示，沿着力链排列的玻璃珠在声音传播过程中互相碰撞，这样导致测定的声速小于声音在空气中的传播速度.

图5 玻璃珠中力链的示意图

4 结束语

现代研究的前沿中的问题都是从最基本的物理问题中演化出来的，很多大学物理实验课程中的实验都可与前沿研究问题联系起来.该实验没有增加任何仪器设备，只用一些玻璃珠，就让学生接触到当代研究前沿中的问题，激发了学生的学习兴趣和创新能力，也让学生了解了现代软凝聚态前沿研究中颗粒物质的性质.本实验中还可以研究压力对声音在颗粒物质中传播的作用等深入的研究课题.

［1］ de Gennes P G.Superconductivity of metals and alloys［M］.New York：Benjamin，1966：83－85.

［2］ 沈元华，陆申龙.普通物理实验［M］.北京：高等教育出版社，2003：112.

［3］ 史庆藩，潘北诚，阿卜杜拉，等.不同堆构条件下颗粒柱有效质量的涨落［J］.物理实验，2011，31（7）：45－46.

［4］ 骆子喻，张雷锋，鲍德松.颗粒链在振动条件下的行为研究［J］.物理实验，2010，30（12）：36－38.

［5］ 王开圣，赵志敏，刘小廷.声速测量实验原理讨论［J］.物理实验，2012，30（3）：25－28.

［责任编辑：郭 伟］

Characteristic of sound transmission in granular materials

LI Xiang－ting，ZHU Lian－gen，HUANG Xue－dong
（Department of Physics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

The sound velocity was measured in granular materials.By data fitting，the sound velocity was 258.5m／s passing through glass beads with average diameter of 0.5mm.By adding glass beads in traditional sound velocity measurement experiment，students could understand the characteristic of granular materials in the field of modern soft condensed matter.

sound velocity measurement；granular materials；composite medium；glass bead；soft condensed state

O422.1

A

1005－4642（2012）11－0036－02

2012－05－30；修改日期：2012－07－16

李向亭（1965－），女，河南淇县人，上海交通大学物理系副教授，博士，研究方向为复合介质计算.选择性，接收波形是一个波包，其中第一条虚线是时间原点（可以任意选择原点位置），第二条虚线是S2传感器最早接收到的信号对应的时间点，从示波器中可以直接读出位置L对应的时间差Δt这个时间值改变S2的位置，示波器中波包的位置要发生变化，S2传感器最早接收到的信号对应的时间点也发生变化，测出各组数据，做出位置－时间关系曲线，就可以得到声音在玻璃珠与空气复合介质中声速.