声速测量仪对空程误差的研究

    声速测量实验中，使用 SW-1 型声速测量仪[1-2]，采用共振干涉法和相位比较法测定超声波在空气中的传播速度。为了确保实验的准确性，在同一组数据测量过程中必须考虑螺纹的螺距间隙差，所以，在测量时一定要朝同方向调节，即只能沿同一方向转动鼓轮，中途不得反转。本文通过具体的实验和分析，计算出目前使用的声速测量仪的空程差的大小。从而帮助学生理解空程差对实验误差的影响程度，从而提高实验技能。

    1 实验方法[3]

    采用相位法进行测量[4]，实验装置如图１所示，调节谐振频率，转动声速测量仪的鼓轮，改变发射面与接收面之间的距离，观察示波器荧光屏上李萨如图形的变化。

    第一步：沿正方向(标尺刻度增大方向）移动换能器1S ，记录示波器屏幕上李萨如图形在一三象限形成直线时换能器1S 的位置，共计 10 次，分别记为1X ，2X ，…，10X 。记录谐振频率，用逐差法处理数据，计算出波长 ? 。

    第二步：接第一步，记录正向移动时换能器1S 的位置1X ?为初始位置，沿反方向(标尺刻度减小方向）移动换能器1S ，记录示波器屏幕上李萨如图形在一三象限形成直线时换能器1S 的位置2X

    中包含一个波长? 反向移动换能器的空程? ，即

    第三步：再沿正向移动换能器2S ，记录示波器屏幕上李萨如图形在一三象限形成直线时换能器1S 的位置2X。

    为了提高实验测量精度，反复移动换能器1S 前进（后退），多次测量几组 ?X ，最后计算出空程的平均值。

    2 数据记录与分析[5-6]

    在 SW-1 型声速测量仪上的测量结果如表 1、表 2 所示。根据表 1 的数据计算出  8.410 mm，此时频率为 f= 40.716kHz，声速的测量结果为 v = 342.42m/s，

    在不考虑频率变化的前提下，声速的不确定度得计算结果为 0.7m/s，测量结果表示为

    根据表 2 的测量结果计算出声速测量仪的正向空程0.244 ±0.007mm，同时反向空程0.245± 0.009 mm，空程差为 ? ? 0.01mm，大小与声速测量仪的仪器误差相当。因频率漂移不大，声速测量的误差主要来源于波长的测量。空程可以产生的误差为

    2.9% ＞＞ 0.2%，显然，空程出现已经属于过失误差了，将导致实验失败。从本实验还可以看出：声速测量仪的的空程可以达到0.245 mm ，而声速测量仪的最小分度值为0.01mm ，空程最大达到了分度值的 25倍，在有空程存在时，仪器误差在误差分析中就没有任何意义了。尽管空程的大小会因仪器新旧有所差异，但是在同型号的其他仪器上也得到了相类似的结果，可见，实验过程中避免反车尤其重要。