实验名称：振动合成与声速测量
一、实验目的
- 了解简谐振动的叠加与形成的合成振动。
- 掌握同频振动与不同频率振动的合成规律，理解李萨如图形的本质。
- 理解驻波的形成条件与特点。
- 通过驻波法与行波法测量空气中的声速，并比较两种方法的差异。
二、实验仪器
声速测定仪、数字示波器、信号发生器、压电陶瓷换能器、连接线等。
三、实验原理
1. 振动的合成
（1）两个同频简谐振动合成
若质点同时参与两个同频振动：
\[x_1 = A_1 \cos(\omega t + \varphi_1)
\]
\[x_2 = A_2 \cos(\omega t + \varphi_2)
\]
合成振动为：
\[x = A\cos(\omega t + \varphi)
\]
其中振幅与初相位为：
\[A = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1A_2 \cos(\varphi_2 - \varphi_1)}
\]
\[\varphi = \arctan\left( \frac{A_1\sin\varphi_1 + A_2\sin\varphi_2}{A_1\cos\varphi_1 + A_2\cos\varphi_2} \right)
\]
（2）两个互相垂直的同频振动
若：
\[x = A_3\cos(\omega t + \varphi_3)
\]
\[y = A_4\cos(\omega t + \varphi_4)
\]
可得轨迹方程：
\[\frac{x^2}{A_3^2} + \frac{y^2}{A_4^2} - \frac{2xy}{A_3A_4} \cos(\varphi_4 - \varphi_3) = \sin^2(\varphi_4 - \varphi_3)
\]
这是李萨如图形的基本方程。
若频率比为整数：
\[\frac{\omega_y}{\omega_x} = \frac{N_y}{N_x}
\]
即可通过李萨如图形判断频率比。
2. 驻波的形成
两个反向行波叠加：
\[u_1 = A\cos(\omega t - kx)
\]
\[u_2 = A\cos(\omega t + kx)
\]
合成：
\[u = 2A\cos kx \cos\omega t
\]
空间因子为节振动（决定波节/波腹），时间因子为简谐振动。
波节位置满足：
\[kx = (2k+1)\frac{\pi}{2} \quad (k = 0,1,2,\ldots)
\]
相邻波节间距为：
\[\frac{\lambda}{2}
\]
可用于测定声波波长。
3. 行波法测声速
已知声波振动：
\[y_1 = y_0\cos(2\pi ft + \varphi)
\]
接收端相位差与距离关系：
\[\Delta \varphi = \frac{2\pi fx}{v} = \frac{2\pi x}{\lambda}
\]
当相位差变化一周（从 0 到 (2\pi)）对应移动距离：
\[\Delta x = \lambda
\]
若相位差变化为 (\pi)，对应：
\[\Delta x = \frac{\lambda}{2}
\]
4. 声速公式
直接法（温度修正）：
\[v_t = 331.45\sqrt{\frac{t}{273.15} + 1} \quad (\text{m/s})
\]
理论声速：
\[v = \sqrt{\frac{\gamma RT}{M}}
\]
四、实验内容
-
驻波法：
- 调节声波，使压电换能器产生驻波；
- 通过观察驻波波腹变化位置，记录若干个波节间的距离；
- 由波节间距求出波长；
- 最终计算声速。
-
行波法：
- 利用示波器观察发射与接收信号的李萨如图形；
- 平移接收换能器，使图形变为直线或闭合曲线；
- 记录对应位置；
- 由相位差变化求波长，再求声速。