声速与光速是怎样测量

声速与光速是怎样测量
声速与光速是怎样测量

声速与光速是怎样测量
**声速的测量**
二十世纪以来,声学测量技术发展很快.目前声学仪器有较大发展,并具有高保真度,很宽的频率范围和动态范围,小的非线性畸变和良好的瞬态响应等.
过去,测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表,测量的速度和准确度受到一定的限制.六十年代初.出现了数字式仪表,直接采用数字显示,提高了测量时读数的准确度.由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成电路的发展,人们已能用由微处理机控制的自动测量代替逐点测量,使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可以用微计算机实时运算.
以微处理机为中心的测量仪器,不但实现了小型化、多功能,而且由于采用了快速博里叶换算法,从而实现了实时分析.同时也出现了一些新的声学测量和分析方法,例如实时频谱分析,声强测量,声源鉴别,瞬态信号分析,相关分析等.
今后声学测量的任务是采用新的测量技术,提出新的测量方法,使用自动化数字式仪器,以提高测量的准确度和速度.
回顾历史,可以看到,在发展经典声学的过程中,许多研究工作是直接用人耳来听声音的.直到本世纪,发展了无线电电子学,才使声波的测量采用了电声换能器和电子测量仪器. 高性能的测量传声器、频谱分析仪和声级记录器实现了声信号的声压级测量,频谱分析和声信号特性的自动记录；从而可以测量各种不同频率、不同强度和波形的声波,扩展了声学的研究范围,促进了近代声学的发展.可以期望,计算技术和大规模集成电路的发展,微计算机和微处理机在声学工作中的应用,必将促使近代声学进一步发展.
传统方法
方法1：一个声音产生后,并不会立刻传到你的耳朵,通常要经过一段时间.除非你自己有这种经验,否则这是很难理解的.例如：如果你参加一个运动会,坐在离鸣枪的人有一段距离的地方,你会先看到枪冒烟,后听到枪声.这是因为光行进的速度非常快(约1秒钟300000公里),而声音的速度就慢得多(约1秒种340米).所以你会立刻看到枪冒烟,但声音要过一会儿之后才会听到.?
于是早期测量声音的速度是利用枪来做实验.帮忙的人要拿着枪在一个量好的距离外,另一个人就拿着马表站在原点.在看到信号之后,帮忙的人就对空鸣枪.在原点的人一看到枪的火花和烟时,就把马表按下来；而当他听到枪声时,就再按一次马表让马表停下来.看到火花和听到枪声之间的时间,就是声音行经这一段量好距离所需的时间.就能算出声音的速度.根据这一原理你不妨在今后的校运动会的时候试验一下（利用百米赛跑就可以了）.
为了测量声音的速度你需要一个马表和一个皮尺.量一个500公尺的距离,要尽可能量得准确一点.你和你的同学分别站在两端；你的同学两手各拿一块大石头（或者锣、鼓、或者干脆拍手--拍手的声音太低如果对方听不到就不好办了）,你则拿一个马表.当你大叫“开始”时,你的同学要把石头举到头顶,尽量大声敲击.?当你一看到石头撞在一起,就按下马表.等到你听到石头撞击的音,就再按一下马表让马表停下来.时间方面要记录到十分之一秒.如果能多做几次实验,算出时间的平均值是最好的.?你只要用计算机把你和你同学的距离除以时间,就可以算出声音的速度了.
方法二.
测量声音的速度还有一种利用回音来测量的的方法：（
所谓回声,就是声音在传播的过程中碰到高大的障碍物被反射了回来,不是在电视里（当然是夸张）有时看到一个人面对大山大喊一声,可以听到三个、四个甚至五个回声吗?
哪么我们就可以根据这样的原理,站在离高墙较远的地方(事先测出你到高墙的距离）大声地喊一下,在你喊的同时按下秒表,当你听到自己的回声再按一下秒表,这样一来,你的喊声从你那儿到高墙打了一个来回,你只要把上面说的你跟高墙的距离除以测得的时间的一半,这声音的速度也就出来了（这里要注意的是因为人能分辨出自己的回声的时间间隔要超过0.1秒,声音有传播速度是340米每秒,所以你与墙的距离,至少不得少于17米才行,而且中间还不能有障碍物）.
利用回声测声音速度比较高级和精确的做法是：
利用超声波遇到物体发生反射,超声波发生器通过电缆线连与超声接受器连为一体,接受器能将接收到的超声波信号进行处理并在电脑屏慕上显示其波形,超声波发生器每隔固定时间发射一短促的超声波信号,而接收到的由于障碍物反射回的超声波信号经仪器处理后也可在电脑屏上显示出来（两个波的形状一大一小便于区分）,每个反射波与相应的发射波之间的滞后的时间可经电脑的处理输出,即能直接从电脑上读出一个超声波发射后遇到障碍物返回来的时间间隔,只要你事先测出超声波发生器到障碍物之间的距离S,并将S除以往返时间的一半就是声音在空气里的传播速度了.（超声波在空气中的传播速度跟一般人能听得到的声波速度是相等的）.
测量声速最简单、最有效的方法之一是利用声速v 、振动频率f和波长λ之间的基本关系,即实验时用结构相同的一对（发射器和接收器）超声压电陶瓷换能器,来作声压与电压之间的转换.利用示波器观察超声波的振幅和相位,用振幅法和相位法测定波长,由示波器直接读出频率f.
(一)谐振频率
超声压电陶瓷换能器是实验的关键部件,每对超声压电陶瓷换能器都有其固有的谐振频率,当换能器系统的工作频率处于谐振状态时,发射器发出的超声波功率最大,是最佳工作状态.
(二)振幅法
由发射器发出的声波近似于平面波.经接收器反射后,波将在压电陶瓷换能器的两端面间来回反射并且叠加.当两个换能器之间的距离等于半波长的整数倍时发生共振,产生共振驻波现象,波幅达到极大.由纵波的性质可以证明,振动位移处于波节时,则声压是处于波腹.接收器端面近似为一波节,接收到的声压最大,经接收器转换成的电信号也最强.声压变化和接收器位置的关系可从实验中测出,当接收器端面移动到某个共振位置时,示波器上会出现最强的电信号,如果继续移动接收器,将再次出现最强的电信号,两次共振位置之间的距离即为1/2λ .
(三)相位法
波是振动状态的传播,也可以说是相位的传播.沿传播方向上的任何两点,其振动状态相同,或者说其相位差为2π的整数倍时两点间的距离应等于波长λ的整数倍,利用这个公式可测量波长.由于发射器发出的是近似于平面波的超声波,当接收器端面垂直于波的传播方向时,其端面上各点都具有相同的相位.沿传播方向移动接收器时,总可以找到一个位置使得接收到的信号与发射的信号同相.移过的这段距离必然等于超声波的波长λ .为了判断相位差并且测定波长,可以利用双踪示波器直接比较发射的信号和接收的信号,同时沿传播方向移动接收器寻找同相点.也可以利用利萨如图形寻找同相时椭圆退化为斜直线的点.
**光速的测量**
光速是有限还是无限,到17世纪还有争议,笛卡尔认为是无限的,伽利略认为是有限的.17世纪初,伽利略用测量声速的方法来测量光速,他让两个人各提一盏有遮光板的灯,并分别站在相距约1．6千米的地方,令第一个人先打开他的灯,同时开始计时；第二个人见到第一个人的灯亮时,立刻打开自己的灯；当第一个人看见第二个人的灯亮时,停止计时,这样测出光从第一个人到第二个人再返回所用的时间,再测出两地的距离,就可以计算出光的速度.从原理上讲,伽利略的方法是对的,但是实验失败了.这是因为光速很大,1／7秒能绕地球一周多,靠当时的条件在地球上用通常测声速的方法测光速是难以实现的.于是,人们把测光速的场地移到太空.在伽利略去世后约30年,丹麦王文学家罗默在观察木星的卫星食中,于1676年指出光速是有限的.
木星是一个周期为12年的太阳行星,它有11个卫星——木星的月亮,其中4个最亮的可用合适的望远镜看到,它们绕木星旋转的轨道平面几乎重合于地球和木星绕太阳旋转的轨道面.因而木星的卫星每绕木星一周将在进入木星影处发生一次蚀.最接近于木星的卫星,其周期是42小时28分16秒（约为7／4天）,它走过自己直径那样的距离约需3．5分钟,因而用望远镜可以观察到它刚发生蚀的瞬间,在这个系统里,木星的卫星蚀,一方面作为一个信号供地球上人来观察,同时,此卫星蚀的周期过程又是一个准确的时钟,如果地球相对于木星的距离不变,或者光速为无限大（信号由木星那里传到地球不需要时间）,则每隔42小时28分16秒自然就看到该卫星的蚀一次.但是,众所周知,光速不是无限大,并且地球每时都在改变着它与木星的距离,所以在地球上看到的木星的卫星相邻蚀之间的时间间隔是变化的.显然这个变化与地球相对于木星的距离的变化和光速的大小有关.
罗默经过长期细心的观察,他发现：在图4－4中,若地球在E1和木星在J1看到一次木星卫星蚀,再用平均周期推算此后任一次蚀的时间,则后一次蚀一般地并不刚好发生在所推算的时间.例如当地球在经过E1之后约三个月行至E2处,实际看到蚀的时间较推算出的时间延迟了约10分钟.这是因为当地球在作自E1向E2而达E3的运动时,地球与木星的距离在逐渐增大,自木星来的任一信号都必须比前一信号多走一些距离才到达地球.经过由E1到E2的三个月,所有相邻蚀的时间延迟的总和约为10分钟.当地球继续由E2经过E4而向E5运动时,地球与木星的距离在逐渐减小,自木星来的任一信号都比前一信号少走一些距离.罗默从他的测量得出,光走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间约为11分钟.在罗默的时代只知道地球轨道半径的近似值,当取此半径为149．7×106千米时,算得光速c＝215000千米／秒.
在地球上较短的距离内用实验的方法测出光速是19世纪中叶的事了.1849年德国物理学家菲索用“齿轮法”测出光速.如图4－5所示,从光源S发出的光,射到半镀银的平面镜A上,经A反射后,从齿轮N的齿间空隙射到反射镜M上,然后再反射回来,通过半镀银镜射入观察者眼中.如果使齿轮转动,那么在光从齿间到达M再反射回齿间的时间Δt内,齿轮将转过一个角度.如果这时齿a和a′间的空隙恰好被a所占据,则反射回来的光被遮断,因而观察者将看不到光.但如果这时齿轮恰好转到下一个齿间空隙,由M反射回来的光从齿间空隙通过,观察者就能重新看到光.齿轮的齿数已知,测出齿轮的转速,可算出齿轮转过一个齿的时间Δt,再测出M、N间的距离,就可以算出光速.菲索当时测得空气中的光速：c＝315300千米／秒.1851年,法国物理学家傅科用旋转镜法测得空气中的光速：c＝298×108米／秒.傅科还第一次测出了光在水中的传播速度为2．23×108米／秒,相当空气中光速的四分之三.
1924—1927年,美国科学家迈克尔孙综合菲索和傅科测光速方法的优点,用旋转棱镜法,在美国海拔5500米、相距35千米的威尔孙山和圣安东尼奥山进行实验,精确地测得光速：c＝299796±4千米／秒.非常接近1975年第15届国际计量大会决议采用的光速值c＝299792．458±0．001千米／秒.他就在这次测量过程中中风,于1931年去世.
在激光得以广泛应用以后,开始利用激光测量光速.其方法是测出激光的频率和波长,应用c=λν计算出光速c,目前这种方法测出的光速是最精确的.根据1975年第15届国际计量大会决议,把真空中光速值定为c＝299 792 458米／秒.在通常应用多取c=3×10^8米／秒.
光速测量仪
LM2000A1 光速测量仪（原LM2000A的增强型）(相位法) • 对激光光束直接进行100MHz的高频调制,移动反光镜通过测量近程光与远程光的相位差求得调制光的波长,依据C=f·λ计算出光的传播速度,即“相位法”.
•选用示波器来测量相位值.并采用降频测相电路,测相频率为455KHz,大大降低了对示波器的要求.
LM2000B 光速测量仪(振荡法) • 把光程作为“光-电振荡”环路中的一个参量,用频率计测量近程光与远程光的频率差,并转换成时间差,依据C=△D/△T求得光速值.
LM2000C 光速测量仪(光拍法)
采用高频声光器件,利用声光频移效应产生150MHz的拍频波,移动反光镜,用示波器测量近程光与远程光的相位差求得拍频波的波长,进而测得光的传播速度,即“光拍法”.