【摘要】空气中的波速检测是个综合性很强的化学实验，在实际应用中也具有十分重要的意义，因而许多高等高校都把它列为必选的基础实验。本文用共振干涉法和相位比较法对空气中的波速进行了研究，得到声波在空气中的传播速率分别为341.54以及341.99ms-1，与理论值343.54ms-1比较接近，最后对实验数据进行了偏差处理。
【关键词】声速；空气；共振干涉法；相位比较法
0序言
近几年来随着声学的发展，测量声学在现实生活中得到了越来越广泛的应用。诸如：无损检查、流体测速、探伤、定位、测距等[1]。波速的检测在声学测量领域占有十分重要的地位。空气中的波速检测实验因其应用性强、便于操作、易于实现等优点被好多院校选作基础化学实验。媒质的特点及状态等诱因决定了声波在其中传播的速率，通过媒质中波速的测定，如：检测氯丁橡胶乳霜的比重、氯气、蔗糖的含量以及输油管中不同油品的分界面等等可以了解媒质的特点或状态变化，因而波速测定在个别工业生产上具有极其重要的实用意义[2]。在教学中通常采用以下两种理论方式来检测波速：第一种是检测声波传播的距离s和时间t，之后依照公式v=s/t估算出波速。这些技巧学校采用的比较多。另一种是检测声波的频度f和波长λ。之后依照任何相邻的振幅最大值的位置之间波动过程中波速v、波长λ和频度f之间存在着下述关系：v=λf，估算出波速[3]。目前院校中普遍采用的是这套理论。而在实际操作中，也有好多不同的方式来实现。诸如双踪示波法[4]，声音共鸣法[5]，串扰法[6]等。本文中本文用共振干涉法和相位比较法首先测定了波速在空气中的传播速率，并与理论值进行比较，之后进行偏差剖析，便于测量检测方式的实用性。
1理论技巧
1.1共振干涉法（串扰法）
声源S1发出的声波经空气传播到位置S2，S2在接收S1的声波讯号的同时反射部份声波讯号，假如接收面与发射面严格平行，则入射波就在接收面上垂直反射，反射波与发射波会形成相干涉都会产生串扰。声源S1发出声波的震动等式为：A1=Acos（wt-2πx/λ），声源S2反射的声波的震动多项式为A2=Acos（wt-2πx/λ），二者互相叠加产生的串扰的震动等式为：A3=2Acos（2πx/λ）cos（wt），w为声波的角频度，t为声波传播经过的时间大学物理实验 声速的测定，λ为检测声波的波长，x为声波经过的距离。可以看出两列波叠加以后产生的串扰的硬度随距离之间按cos（2πx/λ）规律变化。假如改变S2位置，即改变S1与S2之间的距离，则任何相邻的振幅最大值的位置之间或则相邻的振幅最小值的位置之间的距离均为λ/2。
1.2相位比较法
声源S1发出声波后才会在其周围产生声场，设声源S1的震动多项式为A1=Acos（wt），并且在声场中的任一点S2的自震动相位是随时间而变化的，比如S2接收到的震动为A1=Acos（w（t-x/v）），但此点和声源的震动相位差不随时间变化。S1和S2震动的相位差为？驻φ=ωx/v。当x=nλ，合震动为一斜率为正的直线，当x=（2n+1）λ/2时，合震动为一斜率为负的直线，当x为其它值时，合成震动为形状不同的椭圆形，联通S2，当其合震动连续两次为正斜率直线时，S2联通的距离即为一个波长。
2数据处理
2.1声波频度的测定
任何相邻的振幅最大值的位置之间波动过程中波速、波长和频度之间存在着下述关系：v=λf，观察接收波的电流幅度变化，在某一频度点处电流幅度最大，此频度即是f。改变S2的位置（即改变S1、S2之间的距离）直到示波器显示的正弦波振幅达到最大值，再度记下此时频度f的数据于表1。
2.2共振干涉法检测声波的波长
改变S1、S2之间的距离，当接收波形的振幅为最大值时，读出S2的位置x1，沿同一方向继续改变S1、S2之间的距离，当波形振幅再度为最大时，读出S2的位置x2，为了提升检测的确切性，共检测五组数据，每组检测6次，把每次检测的数据列xi，记录到表格2中。
2.4相位法检测声波的波长
对于相位法来说，首先观察李萨如图的变化规律。当观察到波形为正斜率直线时，记下S2的位置x1，改变S2的位置，记下示波器出现正斜率直线时S2的位置x2。为减轻偏差，S2的检测位置改变了6次。之后重新改变S2的起始位置，重复刚刚的步骤，一共检测五组数据。把每一组检测得到检测列xi计入表格3中。
2.6结果剖析
在检测时，偏差似乎难以清除，但我们可以通过多种方式降低偏差。第一种是多次重复检测取平均值。在一组条件完全相同的重复实验中，某些检测值肯能会出现异常，如检测值偏大或偏小，多次重复检测可以使检测值分布更平均，检测结果更接近真值。在这个试验中，每次实验都重复测量5组数据。诸如串扰法检测声波的波长中，尽管单次检测存在一定的偏差，声波的波长结果分别是346.69m/s，344.08m/s，337.75m/s，342.59m/s，在这种结果中有的小于理论值，有的大于理论值，并且取平均值后就比较接近于理论值，多次重复检测的方式可以减轻偏差的形成，提升检测的确切度。第二种是借助逐差法处理数据。所谓逐差法，是把检测数据中的因变量进行逐条相加或按次序分为两组进行对应项相加，之后将所得差值作为因变量的多次检测值进行数据处理的技巧。逐差法可以增强实验数据的借助率，降低随机偏差的影响，是化学实验中处理数据常用的一种技巧。
逐差法是针对自变量等量变化，因变量也做等量变化时，所测得有序数据等间隔相加后取其逐差平均值得到的结果。其优点是充分借助了检测数据大学物理实验 声速的测定，具有对数据取平均的疗效，可及时发觉差错或数据的分布规律，及时纠正或及时总结数据规律。这儿在估算声波波长时我们用逐差法处理数据保持了多次检测的优点，充分的借助了所有的检测结果，尽可能的减少了偏差，增强了检测的确切性。
3推论
首先由波速测定专用讯号源读出声波频度，用共振干涉法和相位比较法求出波长。最后由v=λf分别得到声波在空气中的传播速率，实验值与理论值比较接近，说明这两种方式检测波速的可行性。
【参考文献】
[1]张涛，黄立波，等.空气中波速检测的实验研究[J].重庆科技学院学报，2004，24（4）：518-521.
[2]姜永超.空气、液体介质中的波速检测[M].学院化学实验，上海：中国农业出版社，2015：154-151.
[3]朱鹤年.化学实验研究[M].南京：复旦学院出版社，1994：219-233.
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[5]操良平.用“声音共鸣”法测空气中的波速[J].化学教学阐述，2007，25（287）：59-60.
[6]郑庆华，童悦.波速检测实验的理论剖析[J].吉安大学学报，2006，28（4）：44-46.