智能聲速測量儀

張緒德,李永濤,王秦君,葛智勇,董成林,劉 輝

(南京郵電大學 理學院，江蘇 南京 210046)

1 引 言

聲速是描述聲波在媒介中傳播特性的物理量. 聲速測定技術已得到廣泛地應用，比如：空氣密度和溫濕度的測量、大氣污染度、聲波定位、材料的楊氏模量等. 聲波的傳播需要媒質(zhì)，聲波在媒質(zhì)中的傳播速度與該媒質(zhì)的特性及狀態(tài)等因素有關. 因此，通過對聲速的測定，還可以了解被測媒質(zhì)的特性及狀態(tài)變化，可見，聲速測定在實際生產(chǎn)和生活上具有實用意義. 聲速測量實驗也是大學物理實驗教學的重要組成部分，是大學物理實驗中一個綜合性較強的內(nèi)容，它不僅可使學生綜合應用示波器、信號發(fā)生器等電子儀器的能力得到訓練，還可以加強學生對振動與波的概念的認識和理解.

聲速的測量方法很多，有共振干涉法、相位比較法、時差法及共鳴管駐波法等. 共振干涉法是常用的實驗方法，其實驗原理比較抽象，實驗現(xiàn)象不能充分展示實驗原理，教師難以講授清楚，學生也難以真正理解實驗原理，更難以掌握實驗方法以及實驗現(xiàn)象的分析. 本文著重討論共振干涉法測聲速時，對現(xiàn)有的實驗儀器進行改進，使得聲速測量儀器小型化、智能化.

2 實驗原理

聲音本質(zhì)上是一種波. 在波動過程中波速v、波長λ和頻率f之間存在著下列關系：

v=fλ.

因此可以通過測定聲波的波長λ和頻率f來求得聲速v.

共振干涉法則是測量波長最常用的方法. 其原理圖1所示. 圖中S1和S2為壓電陶瓷超聲換能器，S1作為超聲源(發(fā)射端)，信號源發(fā)出的正弦電壓信號接到換能器S1后，即能發(fā)出一平面聲波. S2作為超聲波的接收端，接收的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號后輸入示波器觀察，S2在接收超聲波的同時還反射一部分超聲波. 由聲源發(fā)出的平面波，經(jīng)空氣傳播到達前方的接收器，如果接收面與發(fā)射面平行，入射波即在接收面上垂直反射，在接收面上的反射波到達發(fā)射面上時又可反射回去，如是往返聲波多次疊加,在一定條件下，在聲源與接收器之間形成共振現(xiàn)象. 由聲波理論可知，當2個聲波幅度相同、方向相反進行傳播時，在它們的相交處產(chǎn)生聲波干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)駐波. 聲源與接收器間的駐波較強，反射面處為位移的波節(jié)，聲壓

圖1 共振干涉法測量聲速實驗裝置示意圖

的波腹，駐波波長與聲波的波長相等. 若改變接收器與發(fā)射源間的距離L，在一系列特定的距離上，媒質(zhì)中出現(xiàn)共振現(xiàn)象，顯然對于相鄰2次達到共振時的距離為L1及L2，則

|L2-L1|=λ/2 .

因此若保持聲源頻率不變，移動接收器(或發(fā)射源)，依次測出接收信號極大的位置為L1,L2,L3,L4,…，則可求出聲波波長λ，再結(jié)合聲波的頻率即可算出聲速.

在共振干涉法測量聲波波長的時，需要學生在示波器上找到出現(xiàn)波峰最大的位置，由于學生在實驗過程中不太容易判斷最大波峰的所在位置，往往錯過讀數(shù)的最佳時刻. 另外，還要記錄每次波峰之間的間隔距離，也給人眼造成一定的疲勞. 基于以上所提到的實驗缺陷，對現(xiàn)行的聲速測量裝置進行了改裝，可以有效解決以上問題，提高實驗的精度.

3 技術原理

3.1 機械裝置的設計

現(xiàn)在市面上銷售的聲速測量裝置主要是采用手動操作的測量裝置，本文設計的智能型的聲速測量裝置是要代替手工操作，整個裝置采用了現(xiàn)代化的信息傳輸手段. 智能聲速測量儀工作原理圖，如圖2所示. 首先將壓電陶瓷片的發(fā)送端固定，接收端通過齒輪耦合的方式將接收端和齒條連接，步進電機也通過齒輪耦合的方式和齒條連接在一體，構(gòu)成聲速測量裝置的基本框架. 應用單片機技術，將接收端的信號，經(jīng)過運放電路傳到單片機上，通過單片機的AD采樣找到信號波峰位置. 此外可以通過步進電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)確定找到波峰位置時的最大值，依此步驟經(jīng)過多次測量，計算出1組數(shù)據(jù)[注：傳統(tǒng)實驗儀器測量聲速時，波長測量的精度取決于游標卡尺的讀數(shù)誤差限

圖2 智能聲速測量儀工作原理圖

0.02 mm；本實驗儀器測量波長的精度公式為：SA/360°，其中，S為螺距的長度0.1mm，A為步進電機的步進角1.8°，所以精讀可達0.000 5 mm，即在相同的共振頻率下，測量的實驗數(shù)據(jù)會有較高的提高],然后應用逐差法可以提高實驗的精度，這樣就可以把峰值達到最大值時，發(fā)送面和接收面之間的間隔距離測量出來. 從而計算出聲波的波長.

3.2 運放電路及信號采集處理

由于接收端的信號強度比較弱，使用單片機判斷起來比較困難，所以采用LM358搭建放大電路. 其引腳圖如圖3所示. 使用該方式搭建起來的運放電路可以很好地滿足要求.

圖3 LM358引腳圖

信號放大的部分采用運放搭成同相比例放大器，因為它有輸入電阻高、輸出電阻小、電路簡單等優(yōu)點，信號放大電路，如圖4所示. 其中，Vo=(1+Rf/R1)Vi. 通過合理設置Rf與R1的值，就可以得到合適的信號. 這樣就能利用單片機的ADC進行采樣，把數(shù)據(jù)存儲起來之后進行處理.

圖4 信號放大電路圖

4 結(jié)束語

改進的實驗裝置減少了實驗過程中手動測量產(chǎn)生的誤差，應用現(xiàn)代化的全智能的實驗裝置留給學生更多的時間去思考實驗原理及其過程. 根據(jù)實驗教學的需要，還對現(xiàn)有的空氣中聲速測量裝置進行了改進，使現(xiàn)有裝置既能測量空氣中的聲速，減少了重復購置儀器的投資，獲得了較好的實驗效果. 此外該儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、原理易懂、操作簡便等優(yōu)點. 該儀器綜合了聲學、電學和機械動力學知識，是一個典型的設計性實驗儀器，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力有很大的幫助.

參考文獻：

[1] 李光仲,劉俊英，王云創(chuàng)，等. 聲速測量實驗裝置擴展應用[J]. 物理實驗,2006,26(2):35.

[2] 潘學軍. 聲速測量裝置實驗的改進[J]. 物理實驗, 2006,26(5):18-21.

[3] 朱方璽. 聲速測量實驗儀的改進[J]. 物理實驗, 2011,31(10):40-43.

[4] 劉鎮(zhèn)清. 一種改進的脈沖回波聲速測量方法[J]. 實驗技術與管理,1992,9(2):29-32.

[5] 周武,竺江峰. 聲速測量儀使用新發(fā)現(xiàn)[J]. 大學物理實驗,2012,25(1):10-12.

[6] 劉愛華. 傳感器在超聲速測量中的應用[J]. 實驗技術與管理,2005,22(9):32-33,38.

[7] 郭立群,李將錄，萬新. 單片機在測量聲速實驗中的應用[J]. 物理實驗,1995,15(3):127-128.