CN108827442A - 一种变温空气声速测量实验仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大学物理实验热学方面的实验测定仪器，尤其是一种用于测定和验证在不同温度情况下空气中声速与热力学温度平方根成正比关系的变温空气声速测量实验仪。有一个由双层透明石英玻璃圆筒(或方筒)组成的隔热装置，在筒的两端用不易导热的非金属材料做端盖，用于发射和接收超声波的探头以及沿圆筒(或方筒)内两侧设置的与圆筒内长度一样的长条形电加热管被封闭在这个隔热装置中。超声波发射探头固定在筒内的一端，而超声波接收探头则通过一个连杆从另一端盖的通孔中穿过连接到筒外的游标测量装置上。在上述圆筒(或方筒)的端盖上留有通气孔与外界相通。长条形电加热管的控制采用PID控温方式。

Description

一种变温空气声速测量实验仪
技术领域
本发明涉及一种大学物理实验热学方面的实验测定仪器，尤其是一种用于测定和验证在不同温度情况下空气中声速与热力学温度平方根成正比关系的变温空气声速测量实验仪。
背景技术
目前在大学物理实验中，采用超声波来测量空气中的声速的实验非常普遍。但现有各类空气中的声速测量实验仪都是在室内的常温和开放的环境下来测量空气声速的。由于空气中的声速并非一个常量，而是一个受空气的温度、压强等因素影响较大的物理量，尤其是根据分子物理学的理论推导，在空气压强不变的情况下，空气中声速的大小与空气的热力学温度的平方根应该成正比。要定量研究和验证这一现象，现有的各类超声波声速测量实验仪器，因受开放性的测量环境的制约，都无法达到这一目的。空气中声速与热力学温度平方根成正比的关系在实践教学中仍停留在理论推导的层面，缺少这方面的仪器在普通教学实验环节来进行检测。
发明内容
为了满足教学科研的需要，本发明专门设计了一种变温空气声速测量实验仪，构建了一个由双层透明石英玻璃圆筒组成的可变温的声速测量实验系统。该系统采用稳定的均衡加热装置使超声波声速测量的局部环境内的空气温度处于人为设定的各个温度点附近并保持稳定不变，同时该测量环境内的气体又与外界周围环境保持联通使气压与外界保持不变，在这样的可变温的声速测量实验系统中，超声波声速测量探头可以自由移动不受妨碍，从而对在不同温度情况下的声速及其与实验的环境温度的关系进行定量研究。
超声波声速测量的原理是这样的：超声波属于一种波长比较短的声波，声波在空气介质中的传播是一种弹性纵波。声波的波速(又叫声速)u是声源的频率f与波长λ的乘积，即u＝fλ。在一定的声源频率f情况下，声速的测量就归结于对声波波长的测量。通过改变超声波接收和发射探头间纵向的距离，运用相位法和驻波法等常用实验方法就可精确测出超声波的波长。
在实际的声速测量中，在不同的温度情况下，声速u与温度等因素的关系由理论推导可知
上式中在给定实验条件下，γ、R、M都是常量，T为热力学温度，故有的关系。
因为在声速测量实验中是靠测量声音传播时弹性纵波的波长来测声速的。当声音传播时的环境温度改变时，弹性纵波的波长也会改变，这就要求在测量区间内空气中不能有气流的扰动，尤其是纵向的气流扰动会影响所测弹性纵波的波长，声速测量也就不准确了。
在本发明设计的仪器中，要实现准确地测量不同温度情况下的声速，必须满足以下几个必要的条件：(1)测量区间内要有一个与外界隔热的独立变温的局部环境，并且此局部环境内各处的温度要均匀、稳定，没有冷热气流的对流，以避免对声波波长测量的扰动；(2)测量区间内的气压要与外界保持一致，稳定不变；(3)测量探头的位置要便于观察和精确测量。
为此，本发明的声速测量实验系统采用双层透明石英玻璃圆筒来进行隔热，用于发射和接收超声波的探头都被封闭在这个隔热装置中。在双层透明石英玻璃圆筒两端用不易导热的非金属材料做左右两端的端盖。在该圆筒中超声波发射探头固定在圆筒内的左端盖上，而超声波接收探头则通过一个连杆从右端盖的通孔中穿过连接到圆筒外的游标测量装置上，移动测量装置的游标尺就可以改变接收探头的位置并测量超声波探头间纵向距离的改变。
在上述双层透明石英玻璃圆筒内沿圆筒两侧设置有与圆筒长度一样的长条形的电加热管给圆筒内的各部分空气同时均匀加热，加热的控制采用PID控温方式，PID控温探头伸入到圆筒中。只要在仪器的控温电路上人为地选择某一设定温度，圆筒内的空气温度就可很快地上升到这个设定温度并保持稳定。由于长条形的电加热管是沿整个圆筒内各部分同时均匀加热，故一旦圆筒内的局部环境温度达到设定值并稳定下来，就不再有空气的对流产生。同时，在圆筒两端的端盖上留有通气孔与外界相通，使圆筒内空气温度发生改变时气压保持不变。
本发明在双层透明石英玻璃圆筒的外面还设置有一个通风气泵，通过通风管道和圆筒左端盖和右端盖的通气孔连通，当实验需要时，可以打开气泵给圆筒内的局部环境通风，以达到降温的目的。
本发明的实验系统采用双层透明石英玻璃圆筒，其目的是为了便于实验时观察超声波探头的移动情况。而采用双层圆筒的结构也并非唯一的选择，只是为了制作时选材的方便，也可以采用双层透明方筒的结构，同样可以达到本设计要求的隔热的目的。
本发明所述的一种变温空气声速测量实验仪，其特征是：有一个由双层透明石英玻璃圆筒(或方筒)组成的隔热装置，在筒的两端用不易导热的非金属材料做端盖，用于发射和接收超声波的探头以及沿圆筒(或方筒)内两侧设置的与圆筒内长度一样的长条形电加热管被封闭在这个隔热装置中。
本发明所述的一种变温空气声速测量实验仪，其特征是：在上述圆筒(或方筒)中超声波发射探头固定在筒内的一端，而超声波接收探头则通过一个连杆从另一端盖的通孔中穿过连接到筒外的游标测量装置上。
本发明所述的一种变温空气声速测量实验仪，其特征是：在上述圆筒(或方筒)的端盖上留有通气孔与外界相通，在上述圆筒(或方筒)的外面还设置有一个通风气泵，通过管道和圆筒(或方筒)一端端盖上的通气孔连接。
本发明所述的一种变温空气声速测量实验仪，其特征是：在上述圆筒(或方筒)中所用的长条形电加热管，其加热的控制采用PID控温方式，PID控温探头伸入到圆筒(或方筒)中。
本发明提出的双层透明石英玻璃圆筒隔热、用长条形的电加热管加热、用通气孔使测量区间内的气压保持不变、用游标测量装置测量超声波探头的移动距离、用PID控温方式等技术在其它领域都有应用，但将上述技术集中起来用于本发明所涉及的大学物理实验中热学方面的实验测定仪器这一特定的技术领域尚属首创，填补了此类仪器中的一项空白。
本发明的有益效果是：为教学和科研提供了一种方便的研究空气中声速与局部环境温度关系的实验仪器。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本仪器的主体结构示意图。
图2是通风气泵通过通风管道与圆筒(或方筒)连接进行通风以及其它相关元件位置的示意图。
在图1中：1.双层透明石英玻璃圆筒，2.长条形的电加热管，3.超声波接收探头，4.连杆，5.左端盖，6.右端盖，7.通气孔，8.通风管道，9.支架，10.游标测量装置，11.仪器机箱。
在图2中：1.双层透明石英玻璃圆筒，3.超声波接收探头，4.连杆，5.左端盖，6.右端盖，7.通气孔，8.通风管道，12.超声波发射探头，13.PID控温探头，14.通风气泵，15.气泵出风软管，16.信号线。
具体实施方式
在图1双层透明石英玻璃圆筒(1)的两端分别是不易导热的非金属材料做成的左端盖(5)和右端盖(6)，长条形的电加热管(2)被封闭在圆筒中，超声波接收探头(3)通过连杆(4)从右端盖(6)上的通孔中穿过连接到筒外的游标测量装置(10)上，随着游标测量装置(10)的移动，超声波接收探头也相应移动。双层透明石英玻璃圆筒(1)通过两端的端盖和支架(9)支撑在仪器机箱(11)上。在右端盖上可以看见通气孔(7)。另外，长条形的电加热管(2)是沿整个双层透明石英玻璃圆筒(1)内侧布置的，位于超声波接收探头(3)和连杆(4)两侧，可以给整个圆筒内的空气均匀加热且不影响超声波的传播。超声波接收探头(3)接收到信号后通过信号线(16)传输出去。
在图2中，可见超声波发射探头(12)是固定在左端盖(5)上的；同时PID控温探头(13)也穿过左端盖(5)伸入到双层透明石英玻璃圆筒(1)中，超声波发射探头(12)和PID控温探头(13)都通过信号线(16)与仪器机箱(11)中的电路相连。若实验需要给双层透明石英玻璃圆筒(1)内的空气进行降温时，可打开通风气泵(14)通过气泵出风软管(15)连接到通风管道(8)上，再通过左端盖(5)与右端盖(6)上的通气孔(7)对双层透明石英玻璃圆筒(1)内的空气进行通风降温。

Claims (4)

1.一种变温空气声速测量实验仪，其特征是：有一个由双层透明石英玻璃圆筒(或方筒)组成的隔热装置，在筒的两端用不易导热的非金属材料做端盖，用于发射和接收超声波的探头以及沿圆筒(或方筒)内两侧设置的与圆筒内长度一样的长条形电加热管被封闭在这个隔热装置中。
2.根据权利要求1所述的一种变温空气声速测量实验仪，其特征是：在上述圆筒(或方筒)中超声波发射探头固定在筒内的一端，而超声波接收探头则通过一个连杆从另一端盖的通孔中穿过连接到筒外的游标测量装置上。
3.根据权利要求1所述的一种变温空气声速测量实验仪，其特征是：在上述圆筒(或方筒)的端盖上留有通气孔与外界相通，在上述圆筒(或方筒)的外面还设置有一个通风气泵，通过管道和圆筒(或方筒)一端端盖上的通气孔连接。
4.根据权利要求1所述的一种变温空气声速测量实验仪，其特征是：在上述圆筒(或方筒)中所用的长条形电加热管，其加热的控制采用PID控温方式，PID控温探头伸入到圆筒中。
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