聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)

朱方璽，曹偉然

（臨沂大學(xué)理學(xué)院，山東臨沂276005）

1 引 言

在駐波法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)[1－4]中，存在一些產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的因素，致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離客觀實(shí)際.駐波法測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)[1－4]原理如圖1所示，由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)波，進(jìn)入到聲速測(cè)定儀，測(cè)定儀的發(fā)射端S1發(fā)射的聲波信號(hào)經(jīng)空氣傳播到達(dá)前方的接收器S2，在接收面上設(shè)置反射裝置，則入射波將被反射回去，在發(fā)射面上也裝有反射裝置，故反射波又將被反射回去.如此往返，聲波經(jīng)多次疊加，將在聲源發(fā)生器與接收器之間發(fā)生共振干涉現(xiàn)象，形成能量較強(qiáng)的駐波.此駐波的能量通過(guò)壓電陶瓷換能器的轉(zhuǎn)換作用，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并把此電信號(hào)輸入到示波器上顯示信號(hào)波形，利用此波形來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

在實(shí)驗(yàn)中，需要人為辨別輸入示波器的信號(hào)的強(qiáng)度是否達(dá)到極大，若滿(mǎn)足條件，停止對(duì)聲速測(cè)定儀的操作并讀出其示數(shù).這個(gè)過(guò)程比較困難，因?yàn)椴⒉恢老乱粫r(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度與這一時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度之間的大小關(guān)系，通常情況下，接收端停止移動(dòng)時(shí)會(huì)錯(cuò)過(guò)信號(hào)強(qiáng)度極大的位置或不能達(dá)到信號(hào)強(qiáng)度極大的位置.

為此，筆者改進(jìn)了聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，減小了實(shí)驗(yàn)誤差，提高了實(shí)驗(yàn)精度，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確.

2 改進(jìn)措施

改進(jìn)思想是：用系統(tǒng)自動(dòng)辨別信號(hào)強(qiáng)度是否達(dá)到記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)條件來(lái)代替原實(shí)驗(yàn)中的人為辨別信號(hào)強(qiáng)度是否達(dá)到記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)條件；用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等自動(dòng)控制器件來(lái)控制聲速測(cè)量?jī)x上接收端的移動(dòng)[5－6]，使接收端在信號(hào)強(qiáng)度滿(mǎn)足記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，停止移動(dòng).為此，首先放大輸入信號(hào)，使其強(qiáng)度滿(mǎn)足單片機(jī)工作時(shí)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的要求并使系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力增強(qiáng)，再整理改變?cè)撔盘?hào)的波形，使其變?yōu)榇笮‰S原信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行有規(guī)律變化的直流脈動(dòng)信號(hào)；用步進(jìn)電機(jī)控制聲速測(cè)量?jī)x用以改變接收器與發(fā)射器之間的距離的旋輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，用單片機(jī)辨別經(jīng)過(guò)整理的波的強(qiáng)度并控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng).其整體示意圖如圖2所示.

圖2 改進(jìn)系統(tǒng)示意圖

2.1 對(duì)原檢測(cè)信號(hào)的放大

聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)儀傳送到示波器的信號(hào)強(qiáng)度比較弱，用單片機(jī)判別信號(hào)強(qiáng)度是否到達(dá)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)條件比較困難，故使用放大電路放大信號(hào)強(qiáng)度，使其滿(mǎn)足單片機(jī)工作時(shí)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的要求.同時(shí)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗外界干擾能力.信號(hào)放大電路圖如圖3所示.

圖3 信號(hào)放大電路

2.2 積分濾波

步驟2.1滿(mǎn)足了單片機(jī)工作時(shí)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的要求.但在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，外界的干擾是不可避免的，干擾信號(hào)會(huì)隨著原信號(hào)的放大而被放大，影響本系統(tǒng)的正常工作.故需要濾波積分電路來(lái)濾除干擾雜波，用以減小外界干擾對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的影響，并對(duì)原信號(hào)進(jìn)行積分，使其變?yōu)樵葱盘?hào).電路原理圖如圖4所示.

圖4 檢波電路

2.3 單片機(jī)判別條件，進(jìn)行操作

單片機(jī)能夠進(jìn)行判別并比較判斷的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)[7]，故需要ADC0804把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行取樣比較.單片機(jī)遵循設(shè)定好的程序，準(zhǔn)確控制步進(jìn)電機(jī).單片機(jī)及其周?chē)娐吩韴D如圖5所示.

圖5 單片機(jī)及其周?chē)刂齐娐?/p>

由于聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀的輸出信號(hào)強(qiáng)度隨S1和S2距離的改變而改變，很難確定放大電路的放大倍數(shù)以滿(mǎn)足ADC0804對(duì)所轉(zhuǎn)換信號(hào)強(qiáng)度的要求.又知，在等頻信號(hào)中最小值之間的距離等于最大值之間的距離.故本系統(tǒng)用單片機(jī)判斷信號(hào)的最小值代替原實(shí)驗(yàn)中判斷信號(hào)的最大值.

2.4 電源電路系統(tǒng)

在上述各部分中，需要參量穩(wěn)定的電源[8]作為有力后盾.產(chǎn)生穩(wěn)定電源的電路原理圖如圖6所示.改進(jìn)后的聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀如圖7所示.

圖6 電源模塊

圖7 改進(jìn)后的聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

用改進(jìn)后的方法測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示（f＝39.051kHz，T＝301.5K）.由逐差法可知波的半波長(zhǎng)為4.439 68mm，經(jīng)公式計(jì)算可得，聲速v＝346.748m／s.相對(duì)于理論值，偏差為0.374%.用改進(jìn)前的方法測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.實(shí)驗(yàn)條件同表1.

表1 改進(jìn)后測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 改進(jìn)前測(cè)量數(shù)據(jù)

由逐差法可知波的半波長(zhǎng)為4.533 24mm，經(jīng)公式計(jì)算可得，聲速v＝354.055m／s.相對(duì)于理論值，偏差為1.725%.

當(dāng)溫度為T(mén)＝301.5K的時(shí)候，聲速的理論值為v＝348.05m／s.

用本系統(tǒng)測(cè)得的聲速更加符合理論值.研究結(jié)果顯示，此改進(jìn)系統(tǒng)能夠完成預(yù)定的目標(biāo)，減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)精度.

4 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)精巧，能完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)目的，減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)精度.值得指出的是，本系統(tǒng)不只在本實(shí)驗(yàn)中起到重要作用，它還能夠測(cè)出任意符合要求波的傳播速度.

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