李向亭，朱蓮根，黃學(xué)東

（上海交通大學(xué)物理系，上海200240）

聲音在顆粒物質(zhì)中的傳播特性

李向亭，朱蓮根，黃學(xué)東

（上海交通大學(xué)物理系，上海200240）

在聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了聲音在顆粒物質(zhì)中的傳播速度，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得到聲音通過平均直徑為0.5mm的玻璃珠的傳播速度為258.5m／s.該實(shí)驗(yàn)只在原有的實(shí)驗(yàn)裝置上增加了一些玻璃珠，學(xué)生即可了解現(xiàn)代軟凝聚態(tài)中前沿研究中顆粒物質(zhì)的性質(zhì).

聲速測(cè)量；顆粒物質(zhì)；復(fù)合介質(zhì)；玻璃珠；軟凝聚態(tài)

1 引 言

顆粒物質(zhì)是指大量固體顆粒間相互作用組成的復(fù)雜體系，該體系中顆粒粒徑大于1μm.如果顆粒無黏性，那么它們之間只有斥力，材料的形狀將取決于外邊界和重力場(chǎng).如果顆粒是干燥的，任何間隙物質(zhì)，比如空氣，對(duì)顆粒系統(tǒng)的很多流動(dòng)和靜態(tài)性質(zhì)的影響通常可以忽略.然而，盡管這些看起來很簡(jiǎn)單，但顆粒態(tài)與其他熟悉的物質(zhì)形態(tài)——固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)有著完全不同的性質(zhì)，因此可以把顆粒態(tài)看成是物質(zhì)的另外一種形態(tài).顆粒物質(zhì)研究已經(jīng)成為現(xiàn)代軟凝聚態(tài)研究中的前沿問題［1］.

聲速的測(cè)量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的最普通的實(shí)驗(yàn)，為了在大學(xué)物理教學(xué)中把最基本的教學(xué)和現(xiàn)代研究結(jié)合，筆者在聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中引入了測(cè)量聲音在玻璃珠中的傳播速度內(nèi)容，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)了最基本的測(cè)量方法同時(shí)，也接觸到了現(xiàn)代科學(xué)研究前沿的內(nèi)容.

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，圖中S1和S2為壓電晶體換能器，S1作為聲波源，它被低頻信號(hào)發(fā)生器輸出的交流電信號(hào)激勵(lì)后，由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生受迫振動(dòng)，并向空氣中定向發(fā)出近似的平面聲波；S2為超聲波接收器.SV－DH－3為信號(hào)發(fā)生器，可發(fā)射脈沖波和連續(xù)波.用示波器可觀測(cè)發(fā)射信號(hào)S1和接收信號(hào)S2，測(cè)量玻璃珠中的聲速時(shí)把S1和S2放入裝有玻璃珠的容器中，如圖2所示.

圖1 非線性元件頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器和玻璃珠

測(cè)量玻璃珠中聲速的實(shí)驗(yàn)中用的是每組10個(gè)的方脈沖，每組間隔為15ms，每個(gè)脈沖間隔為20μs.圖3所示是S2位于某位置L時(shí)接收信號(hào)的波形圖，因?yàn)槿肷涞氖敲}沖方波信號(hào)，其中包含頻率成分比較多，但是因?yàn)閭鞲衅饔幸欢ǖ念l率

“第7屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

圖3 方脈沖經(jīng)過玻璃珠后形成的波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)量結(jié)果如圖4所示，位置與時(shí)間基本上成線性關(guān)系，做線性最小二乘擬合，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 9以上，直線的斜率就是要測(cè)的聲速.圖中得到的聲速為258.5m／s.實(shí)驗(yàn)時(shí)用的玻璃珠直徑平均值為0.5mm.

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

聲音在玻璃珠中傳播其實(shí)是聲音在空氣和玻璃組成的復(fù)合介質(zhì)中傳播，情況非常復(fù)雜.現(xiàn)代理論認(rèn)為［1－2］壓力聲波沿著力鏈傳播，如圖5所示，沿著力鏈排列的玻璃珠在聲音傳播過程中互相碰撞，這樣導(dǎo)致測(cè)定的聲速小于聲音在空氣中的傳播速度.

圖5 玻璃珠中力鏈的示意圖

4 結(jié)束語

現(xiàn)代研究的前沿中的問題都是從最基本的物理問題中演化出來的，很多大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)驗(yàn)都可與前沿研究問題聯(lián)系起來.該實(shí)驗(yàn)沒有增加任何儀器設(shè)備，只用一些玻璃珠，就讓學(xué)生接觸到當(dāng)代研究前沿中的問題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，也讓學(xué)生了解了現(xiàn)代軟凝聚態(tài)前沿研究中顆粒物質(zhì)的性質(zhì).本實(shí)驗(yàn)中還可以研究壓力對(duì)聲音在顆粒物質(zhì)中傳播的作用等深入的研究課題.

［1］ de Gennes P G.Superconductivity of metals and alloys［M］.New York：Benjamin，1966：83－85.

［2］ 沈元華，陸申龍.普通物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京：高等教育出版社，2003：112.

［3］ 史慶藩，潘北誠(chéng)，阿卜杜拉，等.不同堆構(gòu)條件下顆粒柱有效質(zhì)量的漲落［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（7）：45－46.

［4］ 駱子喻，張雷鋒，鮑德松.顆粒鏈在振動(dòng)條件下的行為研究［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（12）：36－38.

［5］ 王開圣，趙志敏，劉小廷.聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理討論［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012，30（3）：25－28.

［責(zé)任編輯：郭 偉］

Characteristic of sound transmission in granular materials

LI Xiang－ting，ZHU Lian－gen，HUANG Xue－dong
（Department of Physics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

The sound velocity was measured in granular materials.By data fitting，the sound velocity was 258.5m／s passing through glass beads with average diameter of 0.5mm.By adding glass beads in traditional sound velocity measurement experiment，students could understand the characteristic of granular materials in the field of modern soft condensed matter.

sound velocity measurement；granular materials；composite medium；glass bead；soft condensed state

O422.1

A

1005－4642（2012）11－0036－02

2012－05－30；修改日期：2012－07－16

李向亭（1965－），女，河南淇縣人，上海交通大學(xué)物理系副教授，博士，研究方向?yàn)閺?fù)合介質(zhì)計(jì)算.選擇性，接收波形是一個(gè)波包，其中第一條虛線是時(shí)間原點(diǎn)（可以任意選擇原點(diǎn)位置），第二條虛線是S2傳感器最早接收到的信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，從示波器中可以直接讀出位置L對(duì)應(yīng)的時(shí)間差Δt這個(gè)時(shí)間值改變S2的位置，示波器中波包的位置要發(fā)生變化，S2傳感器最早接收到的信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)也發(fā)生變化，測(cè)出各組數(shù)據(jù)，做出位置－時(shí)間關(guān)系曲線，就可以得到聲音在玻璃珠與空氣復(fù)合介質(zhì)中聲速.