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  我和* 2016-05-30 11:11:33

  聲速的測量** 二十世紀(jì)以來，聲學(xué)測量技術(shù)發(fā)展很快。目前聲學(xué)儀器有較大發(fā)展，并具有高保真度，很寬的頻率范圍和動態(tài)范圍，小的非線性畸變和良好的瞬態(tài)響應(yīng)等。 過去，測量聲波和振動的儀表都是模擬式電子儀表，測量的速度和準(zhǔn)確度受到一定的限制。六十年代初。出現(xiàn)了數(shù)字式儀表，直接采用數(shù)字顯示，提高了測量時讀數(shù)的準(zhǔn)確度。由于計算技術(shù)和高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路的發(fā)展，人們已能用由微處理機控制的自動測量代替逐點測量，使許多需要事后計算的聲學(xué)測量和分析工作可以用微計算機實時運算。 以微處理機為ZX的測量儀器，不但實現(xiàn)了小型化、多功能，而且由于采用了快速博里葉換算法，從而實現(xiàn)了實時分析。同時也出現(xiàn)了一些新的聲學(xué)測量和分析方法，例如實時頻譜分析，聲強測量，聲源鑒別，瞬態(tài)信號分析，相關(guān)分析等。 今后聲學(xué)測量的任務(wù)是采用新的測量技術(shù)，提出新的測量方法，使用自動化數(shù)字式儀器，以提高測量的準(zhǔn)確度和速度。 回顧歷史，可以看到，在發(fā)展經(jīng)典聲學(xué)的過程中，許多研究工作是直接用人耳來聽聲音的。直到本世紀(jì)，發(fā)展了無線電電子學(xué)，才使聲波的測量采用了電聲換能器和電子測量儀器。 高性能的測量傳聲器、頻譜分析儀和聲級記錄器實現(xiàn)了聲信號的聲壓級測量，頻譜分析和聲信號特性的自動記錄；從而可以測量各種不同頻率、不同強度和波形的聲波，擴展了聲學(xué)的研究范圍，促進(jìn)了近代聲學(xué)的發(fā)展?？梢云谕?，計算技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微計算機和微處理機在聲學(xué)工作中的應(yīng)用，必將促使近代聲學(xué)進(jìn)一步發(fā)展。 傳統(tǒng)方法 方法1：一個聲音產(chǎn)生后，并不會立刻傳到你的耳朵，通常要經(jīng)過一段時間。除非你自己有這種經(jīng)驗，否則這是很難理解的。例如：如果你參加一個運動會，坐在離鳴槍的人有一段距離的地方，你會先看到槍冒煙，后聽到槍聲。這是因為光行進(jìn)的速度非常快(約1秒鐘300000公里)，而聲音的速度就慢得多(約1秒種340米)。所以你會立刻看到槍冒煙，但聲音要過一會兒之后才會聽到。? 于是早期測量聲音的速度是利用槍來做實驗。幫忙的人要拿著槍在一個量好的距離外，另一個人就拿著馬表站在原點。在看到信號之后，幫忙的人就對空鳴槍。在原點的人一看到槍的火花和煙時，就把馬表按下來；而當(dāng)他聽到槍聲時，就再按一次馬表讓馬表停下來。看到火花和聽到槍聲之間的時間，就是聲音行經(jīng)這一段量好距離所需的時間。就能算出聲音的速度。根據(jù)這一原理你不妨在今后的校運動會的時候試驗一下（利用百米賽跑就可以了）. 為了測量聲音的速度你需要一個馬表和一個皮尺。量一個500公尺的距離，要盡可能量得準(zhǔn)確一點。你和你的同學(xué)分別站在兩端；你的同學(xué)兩手各拿一塊大石頭（或者鑼、鼓、或者干脆拍手--拍手的聲音太低如果對方聽不到就不好辦了），你則拿一個馬表。當(dāng)你大叫“開始”時，你的同學(xué)要把石頭舉到頭頂，盡量大聲敲擊。?當(dāng)你一看到石頭撞在一起，就按下馬表。等到你聽到石頭撞擊的音，就再按一下馬表讓馬表停下來。時間方面要記錄到十分之一秒。如果能多做幾次實驗，算出時間的平均值是Z好的。?你只要用計算機把你和你同學(xué)的距離除以時間，就可以算出聲音的速度了。 方法二. 測量聲音的速度還有一種利用回音來測量的的方法：（ 所謂回聲，就是聲音在傳播的過程中碰到高大的障礙物被反射了回來，不是在電視里（當(dāng)然是夸張）有時看到一個人面對大山大喊一聲，可以聽到三個、四個甚至五個回聲嗎？ 哪么我們就可以根據(jù)這樣的原理，站在離高墻較遠(yuǎn)的地方(事先測出你到高墻的距離）大聲地喊一下，在你喊的同時按下秒表，當(dāng)你聽到自己的回聲再按一下秒表，這樣一來，你的喊聲從你那兒到高墻打了一個來回，你只要把上面說的你跟高墻的距離除以測得的時間的一半，這聲音的速度也就出來了（這里要注意的是因為人能分辨出自己的回聲的時間間隔要超過0.1秒，聲音有傳播速度是340米每秒，所以你與墻的距離，至少不得少于17米才行，而且中間還不能有障礙物）。 利用回聲測聲音速度比較高級和精確的做法是： 利用超聲波遇到物體發(fā)生反射，超聲波發(fā)生器通過電纜線連與超聲接受器連為一體，接受器能將接收到的超聲波信號進(jìn)行處理并在電腦屏慕上顯示其波形，超聲波發(fā)生器每隔固定時間發(fā)射一短促的超聲波信號，而接收到的由于障礙物反射回的超聲波信號經(jīng)儀器處理后也可在電腦屏上顯示出來（兩個波的形狀一大一小便于區(qū)分），每個反射波與相應(yīng)的發(fā)射波之間的滯后的時間可經(jīng)電腦的處理輸出，即能直接從電腦上讀出一個超聲波發(fā)射后遇到障礙物返回來的時間間隔，只要你事先測出超聲波發(fā)生器到障礙物之間的距離S，并將S除以往返時間的一半就是聲音在空氣里的傳播速度了。（超聲波在空氣中的傳播速度跟一般人能聽得到的聲波速度是相等的）。 測量聲速Z簡單、Z有效的方法之一是利用聲速v 、振動頻率f和波長λ之間的基本關(guān)系，即實驗時用結(jié)構(gòu)相同的一對（發(fā)射器和接收器）超聲壓電陶瓷換能器，來作聲壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換。利用示波器觀察超聲波的振幅和相位，用振幅法和相位法測定波長，由示波器直接讀出頻率f。 (一)諧振頻率 超聲壓電陶瓷換能器是實驗的關(guān)鍵部件，每對超聲壓電陶瓷換能器都有其固有的諧振頻率，當(dāng)換能器系統(tǒng)的工作頻率處于諧振狀態(tài)時，發(fā)射器發(fā)出的超聲波功率Z大，是Z佳工作狀態(tài)。 (二)振幅法 由發(fā)射器發(fā)出的聲波近似于平面波。經(jīng)接收器反射后，波將在壓電陶瓷換能器的兩端面間來回反射并且疊加。當(dāng)兩個換能器之間的距離等于半波長的整數(shù)倍時發(fā)生共振，產(chǎn)生共振駐波現(xiàn)象，波幅達(dá)到極大。由縱波的性質(zhì)可以證明，振動位移處于波節(jié)時，則聲壓是處于波腹。接收器端面近似為一波節(jié)，接收到的聲壓Z大，經(jīng)接收器轉(zhuǎn)換成的電信號也Z強。聲壓變化和接收器位置的關(guān)系可從實驗中測出，當(dāng)接收器端面移動到某個共振位置時，示波器上會出現(xiàn)Z強的電信號，如果繼續(xù)移動接收器，將再次出現(xiàn)Z強的電信號，兩次共振位置之間的距離即為1/2λ 。 (三)相位法 波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是相位的傳播。沿傳播方向上的任何兩點，其振動狀態(tài)相同，或者說其相位差為2π的整數(shù)倍時兩點間的距離應(yīng)等于波長λ的整數(shù)倍，利用這個公式可測量波長。由于發(fā)射器發(fā)出的是近似于平面波的超聲波，當(dāng)接收器端面垂直于波的傳播方向時，其端面上各點都具有相同的相位。沿傳播方向移動接收器時，總可以找到一個位置使得接收到的信號與發(fā)射的信號同相。移過的這段距離必然等于超聲波的波長λ 。為了判斷相位差并且測定波長，可以利用雙蹤示波器直接比較發(fā)射的信號和接收的信號，同時沿傳播方向移動接收器尋找同相點。也可以利用利薩如圖形尋找同相時橢圓退化為斜直線的點。

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