周紅仙，王 毅

(東北大學(xué)秦皇島分校，河北秦皇島 066004)

把工程實(shí)際問題引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)于激發(fā)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、擴(kuò)大知識(shí)面、培養(yǎng)綜合能力有明顯的幫助，這是目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢?；夭ǚㄊ呛穸葴y量的基本方法，有廣泛的實(shí)際應(yīng)用，例如用于混凝土、擋土墻、隧道襯砌、大壩等只存在單一測試面的物體的厚度測量。目前的回波厚度測量法需要兩個(gè)壓電換能器，通過直接測量聲信號(hào)到達(dá)兩換能器的時(shí)間間隔，計(jì)算厚度［1，2］，系統(tǒng)較復(fù)雜。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展一種使用單壓電換能器，利用傅立葉變換計(jì)算回波時(shí)間的厚度測量方法，和雙換能器直接測量回波時(shí)間相比，這種方法是通過頻域計(jì)算回波時(shí)間，不受回波信號(hào)波形的影響，有較高的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)以Labview(Laboratory Virtual instrument Engineering)為開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW是一種圖形化的編程語言，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，借由直觀的圖標(biāo)和連線，可以快速開發(fā)復(fù)雜的測量、測試和控制系統(tǒng)，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性［3］。和目前在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中廣泛使用的用駐波共振法及相位比較法測量空氣中聲速的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相比［4，5］，本系統(tǒng)包括聲學(xué)、計(jì)算機(jī)控制、信號(hào)采集、信號(hào)處理等多領(lǐng)域知識(shí)，是多領(lǐng)域技術(shù)的綜合運(yùn)用，但系統(tǒng)成本低、物理思想清晰、適合作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)于激發(fā)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、擴(kuò)大知識(shí)面、培養(yǎng)綜合能力有很大的幫助。

1 原理與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本系統(tǒng)的原理圖如圖1(a)所示，利用機(jī)械力(如小鋼球)瞬間撞擊物體的表面1，產(chǎn)生脈沖聲波，該聲波傳到物體的表面2時(shí)，部分出射，部分被表面2反射回到物體內(nèi)部，在表面1和2之間進(jìn)行多次反射，其中不滿足駐波條件的分量很快衰減，而滿足駐波條件的分量衰減較慢，形成較穩(wěn)定的多個(gè)出射波，因此用壓電換能器在表面1或2測量滿足駐波條件的多個(gè)出射波，相鄰出射波的時(shí)間間隔，就等于聲波在表面1和2之間往返一次的時(shí)間。對(duì)于非均勻介質(zhì)，由于聲波在物體內(nèi)部傳播過程中，聲波信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，因此用時(shí)域的方法計(jì)算各個(gè)出射波的間隔有較大的誤差。為了減小這種誤差，用頻域處理方法。假定聲波在物體內(nèi)部往返一次的時(shí)間為T，則多個(gè)回波信號(hào)的時(shí)間間隔即為T，對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，其幅度譜極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率F=1/T，則表面1和2之間的間距L=V/(2F)，V為聲速。用兩個(gè)換能器，置于物體表面，測量聲波在兩個(gè)換能器之間的傳輸時(shí)間差及兩個(gè)探測器之間的距離，就可以簡單的計(jì)算出聲速V。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1(b)所示，以Labview為開發(fā)平臺(tái)，通過GPIB卡連接計(jì)算機(jī)和一臺(tái)示波器(Tektronix，TDS210)，用計(jì)算機(jī)控制示波器對(duì)回波信號(hào)的采集并傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。換能器置于待測物體表面，用直徑為1.00 cm的金屬球自由下落撞擊物體表面，產(chǎn)生脈沖聲波，換能器接收多次反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給示波器，示波器把信號(hào)通過GPIB卡傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，所用子VI包括:Initialize.vi、Acquire mode.vi、Horizontal.vi、Read waveform.vi、Trigger.vi、Vertial.vi、Close.vi。用real FFT.Vi進(jìn)行快速傅立葉變換。

2 結(jié)果及討論

圖2(a)為一個(gè)采集到的典型的回波多次反射信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過低通濾波消除高頻噪聲，可以明顯看到多次駐波反射信號(hào)，實(shí)驗(yàn)樣品是厚度為381.5 mm的石柱，隨著反射次數(shù)增加，信號(hào)出現(xiàn)明顯的衰減。

圖2 (a)采集到的回波信號(hào)(b)傅立葉變換結(jié)果

圖2(b)為對(duì)圖2(a)所示信號(hào)做FFT的幅度譜，其中幅度極大值所對(duì)應(yīng)的頻率即是駐波頻率，測量到的駐波頻率為4 981 Hz，聲速為3 810 m/s，由此計(jì)算出樣品的厚度為38.25 cm。

對(duì)厚度為381.5 mm的石柱的多次測量結(jié)果見表1，共測量18次，示波器采樣頻率為2.5 MHz，用于撞擊樣品表面產(chǎn)生聲波的鋼球直徑為1 cm。從表1可以看出，相對(duì)誤差最大是0.682%，最小是0.13%，測量結(jié)果的相對(duì)誤差都小于1%，測得的駐波頻率在5 kHz左右，重復(fù)性較好。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，回波法測量石柱厚度的結(jié)果與其實(shí)際厚度相符，厚度檢測結(jié)果相對(duì)誤差小于1%，表明本系統(tǒng)可以達(dá)到很高的精確度，也證明了此方法的正確性。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

在工業(yè)回波厚度測量方法的基礎(chǔ)上，以Labview為平臺(tái)建立了回波法厚度測量系統(tǒng)，使用FFT計(jì)算聲波在樣品內(nèi)部的傳輸時(shí)間，可以使系統(tǒng)簡單，不需要復(fù)雜的雙換能器驅(qū)動(dòng)及接受電路。本系統(tǒng)硬件只需要計(jì)算機(jī)、示波器、GPIB卡、換能器，借助Labview，可以快速建立示波器的控制系統(tǒng)及進(jìn)行簡單的信號(hào)處理。整個(gè)系統(tǒng)利用實(shí)驗(yàn)室常用設(shè)備即可完成，不需要太多的信號(hào)處理知識(shí)，成本較低、設(shè)計(jì)新穎，物理思想清晰，適合用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特別適合學(xué)生作為綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究開發(fā)。

［1］王正君，金曉鷗，王紅梅.超聲反射波法檢測水泥混凝土板厚度的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版，2011，35(4):728-730.

［2］張建國，琚曉輝，路晉.水泥混凝土路面厚度超聲檢測系統(tǒng)研究［J］.公路交通技術(shù).2006，(1):26-28.

［3］申炎華，王汝杰，雷振山.LabVIEW入門與提高范例教程［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［4］李春貴.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.2版，武漢:華中師范大學(xué)出版社，2010.

［5］仲志強(qiáng).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.南京:南京大學(xué)出版社，2009.