声速测定实验及其应用概述

声速测定实验及其应用概述

孙金芳

安徽信息工程学院 通识教育与外国语学院　　安徽　　芜湖　　 241000

摘　要：准确测量各种介质中的声速对许多领域有重要意义。本文介绍了声速测定实验的发展历史，在实验室和实际工程中测定不同介质中几种主流和较为先进的测定声速的方法、精度及利弊。最后综述了声速测定的实际应用及其重要意义。

关键词：声速测定；测量方法；超声波；实际应用

　　1.声速测定的发展历史

我们的日常生活处处充满伴随着声音，而声波是一种机械波，传播速度与传播介质的种类和温度有关，根据介质的不同大致分为气体，液体，固体三类，一般来说，介质密度越大，则传播速度越快。

历史上第一个测定空气中声速的是一个叫德罕姆的英国人。1708年，他站在高楼上，看着一定距离处的大炮发射，测出大炮闪光时和听到发射声时的时间差（光速远大于声速，因此闪光传播的时间近似忽略不计），大致估算出声速为343m/s,与现在声音在室温空气中传播速度十分接近。

1827年，瑞士物理学家科拉顿首次测出了水中的声速，他和助手分别乘坐一条船，助手同时敲响水下的钟并点燃火药，科拉顿在水下放一个医用听音器，看见火光开始计时，听到钟声结束计时，测的水中声速大约是1453m/s,约为空气声速的5倍。后来到20世纪70年代初，科学家们设计出声呐来更准确地测定水中的声速。

第一次测定金属中的声速是在法国巴黎进行的。人们当时用一根900多米长的铁管敲击一端，另一端会收到两次声音，分别是铁管中和空气中传来的声音，测得两次时间间隔后，算出铁管中声速大约是空气中的15倍。

20世纪以来，由于电子学的发展，使用声电换能器和电子仪器设备，已经可以探测几乎各种频率，波形，强度的声波，可以通过这些仪器直接或间接测量更加精确的声速值。

目前，测定空气中声速，在气压较低时，常用共振干涉法、相位比较法、时差法等。在此基础上，有学者利用单片机对这些方法进行了改良，在气体压强高时，常用方法一般为圆柱定程干涉法。测量液体声速时，主要是利用声速剖面仪进行测量。测量固体声速时，一般用时差法，脉冲光声法等，这些方法在后文中会详细介绍。

　　2.声速测定的方法

电子测量仪器未出现之前，测定声速只有时差法，并且是以人耳听音计时，实验原理大同小异且精度很低，因此本文着重介绍后期声速测量的普遍方法和目前比较先进的方法。

　　2.1气体声速

　　2.1.1实验室测量气体声速

目前实验室常用的三种方法为共振干涉法（驻波法），相位比较法，时差法。这三种方法优点是在实验室借助仪器操作简单，弊端是受环境因素误差较大。前两种实验原理在一般大学物理实验教材中有详细探讨，不再赘述，接下来说明时差法原理以及这三种测量方法的误差分析。

时差法测声速的原理是采用脉冲调制信号输送到发射换能器，产生声波，经过时间后，到达处的接收换能器。因此，利用公式可求出声波在介质中的传播速度。为减小换能器位置的误差，采用逐差法处理数据。三种方法中，驻波法和相位比较法相对误差大约在1.6%，而时差法相对误差约为0.3%。从实验结果来分析，共振干涉法和相位比较法测量的相对误差较大，这是因为这两种方法测量波长时，通过示波器的图形判断是否读取接收器位置坐标时易产生较大偏差；其次，操作过程中存在空程差。这种误差是不可能消除的，只可以尽可能地减小。时差法测量声速的相对误差最小，实验结果与理论值较接近。实验中通过螺旋测微器的手轮调整位置Ｌ时避免了往返产生的误差，时间t是由仪器直接读取的，因此得到的实验结果精度较高[1]。

　　2.2液体声速

测量液体中声速，实验室中仍然可用驻波法等借助声速测量仪的方法，原理与气体测量类似，其中驻波法基本原理是：将声速测量仪倒过来让带手摇鼓轮的朝上，让换能器带有刻度的一侧在适当角度方便读数，从而保证读数时准确。固定好后，将液体滴加装置摆放在适当位置方便注水。当发射器发出的声波经过空气射到水面，部分反射，部分透射并进入接收换能器。当发射器和分界面之间，分界面和接收器分别形成振动稳定加强的驻波时，接收器振动最强，示波器出现清晰且稳定的正弦波，保持分界面与发射器距离不变，改变容器中水面的高度，根据关系式可得两次极大值的高度差就是半波长，测量相对误差约为2.5%[3]。其余相位比较法，时差法等与实验室气体声速测量原理较为类似，不再赘述。

　　3.实际应用

声速测量在大学物理阶段就对测量原理有明确推导，基本原理为两类：（1）利用频率，波长等关系推导声速表达式进行相关物理量的测量。（2）利用时差法即进行测量。

在这两个基本原理的基础上，人们在固体，液体，气体中的声速测量研发出越来越多的仪器，推导出不同的表达式对声速进行测量计算，根据实际情况进行不同的修正，在很多领域都有十分先进的实际应用和其重要意义。

在实际应用中，气体中的声速是目前测量精度最高的物理量之一并且声速是热力学基础研究和工程应用的重要参数，通过测量不不同环境中气体声速, 基于气体声速与温度、压力的热力学关系, 结合气相声速维里状态方程形式, 可获得气相声速维里系数和理想气体比热容, 再通过气相声速维里系数与密度维里系数的微分关系, 进一步可计算其他的热力学性质, 如密度、焓、熵等。

利用声速剖面仪进行海水声速测量是液体声速测量的重要实际应用之一，且有其战略意义，精确地测量海水声速，可以有效地为测深仪、声呐等水声设备校正测量误差提供准确的声速数据。

固体材料是重要的原材料, 被广泛用于现代工业的各个领域, 对于众多精密工业领域, 如航空航天和核电站等领域, 材料微观物理性能的好坏, 直接影响到材料整体性能和安全。而声速是评价材料的重要物理性能的指标之一。

　　4.结束语

声速测定发展至今，已经由最初的已经由最初的精度较低的人耳听声测量逐步发展到可以利用各种电子仪器进行精确测量，并演化出适用于不同环境的测量仪器和方法，在多个领域发挥着重要作用。更加精确的在某个领域测定声速数值，有助于完成许多更高精度的实验，在这些方面仍有十分巨大的进步空间等待我们去探索发现。

参考文献：

[1]刘石劬.声速测量及不确定度分析[J].大学物理实验,2013,26(04):99-103.

[2]冯晓娟,林鸿,刘强,周孟夏,段远源.圆柱定程干涉法声速测量原理与实验系统研制[J].工程热物理学报,2011,32(05):725-728.

[3]耿森林.驻波法对液体中声速的测量研究[C].《声学技术》编辑部,2013:19-21.

[4]周红仙,王毅.用脉冲光声法测量固体介质中声速[J].大学物理,2011,30(01):45-47.

基金项目:本文系安徽省教育厅质量工程项目，项目编号：No.2019xfxm87。

作者简介:孙金芳(1985—),女,副教授,博士,研究方向：大学物理与物理实验教学。