馮軍勤，吳福根，鐘會(huì)林

（廣東工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣東 廣州510006）

1 引 言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是工科類專業(yè)對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新精神的重要的實(shí)踐性課程．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在內(nèi)容設(shè)置上涵蓋力、熱、光、電、聲、磁等多個(gè)學(xué)科，但這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多數(shù)為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)偏少．鑒于這種情況，可以嘗試開設(shè)專題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)［1］，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)之上，開設(shè)出新的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生在原有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，有所創(chuàng)新．

超聲波在日常生活中應(yīng)用極為廣泛，比如超聲波測距、無損檢測等．而在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，聲學(xué)實(shí)驗(yàn)題目較少，一般大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)聲學(xué)部分只開設(shè)了超聲波在空氣中的傳播速度測定，而這個(gè)原理比較簡單，操作相對容易，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在固定的課時(shí)內(nèi)不飽滿［2］；鑒于以上原因，在使用儀器不變的情況下，將超聲波實(shí)驗(yàn)改造為專題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)［3－4］，在測量超聲波在空氣中傳播速度的基礎(chǔ)之上，分別增加了一些不設(shè)預(yù)案的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，測量超聲信號(hào)源頻率與接收壓電換能器接收信號(hào)振幅之間的關(guān)系，有助于學(xué)生理解共振頻率的概念；測量超聲波在水中的傳播速度以及超聲波在空氣中的損耗系數(shù)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫和數(shù)據(jù)處理要求學(xué)生使用Matlab計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)完成［5－6］．通過超聲波專題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可以發(fā)揮學(xué)生的主體意識(shí)和主動(dòng)性［7］，調(diào)動(dòng)和挖掘?qū)W生的內(nèi)在潛力，使得學(xué)生主動(dòng)地學(xué)習(xí)，積極地參與知識(shí)獲取的過程，通過自己的主動(dòng)探索、親身實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力［8］．

2 測量壓電換能器的共振頻率

在測量超聲波在介質(zhì)中傳播速度時(shí)，需要調(diào)整超聲信號(hào)源頻率，使得接收壓電換能器的接收信號(hào)振幅達(dá)到最大，這個(gè)頻率就是壓電換能器的固有頻率；當(dāng)超聲信號(hào)源的頻率和壓電換能器的固有頻率相同時(shí)，此時(shí)接收信號(hào)振幅最大，達(dá)到共振，有時(shí)也稱之為共振頻率．但是在實(shí)驗(yàn)過程中，部分學(xué)生對共振頻率理解不透，所以可以增加測量接收壓電換能器接收信號(hào)振幅和超聲信號(hào)源頻率之間的關(guān)系．實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

為了精確測量壓電換能器接收信號(hào)振幅，首先要校準(zhǔn)示波器，利用示波器自帶的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)輸入到CS－4125型示波器CH2，把“y軸靈敏度”和“時(shí)間軸靈敏度”分別調(diào)到“0．2 V／div”和“1 ms／div”位置，調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕使得方波垂直幅值（Vp－p）占了5 div，水平軸上顯示10個(gè)完整周期的方波，就可以完成示波器校準(zhǔn)．其次，將SV5型聲速測量專用信號(hào)源的發(fā)射S1和SV6聲速測量組合儀發(fā)射S1利用卡口線連接；SV6聲速測量組合儀接收S2與CS－4125型示波器CH2通道連接；調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率調(diào)節(jié)旋鈕，使得示波器CH2通道接收信號(hào)振幅最大．最后，以接收信號(hào)振幅最大時(shí)信號(hào)源頻率為中心頻率，以10 Hz為步長，分別增大和減小信號(hào)源頻率可以測得1組頻率和接收壓電換能器接收信號(hào)振幅之間的關(guān)系，如圖2所示．

圖2 接收信號(hào)振幅與超聲信號(hào)源頻率之間的關(guān)系

通過這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可以掌握示波器的校準(zhǔn)以及利用示波器測量信號(hào)電壓幅值，加深理解共振頻率的概念．

3 測量超聲波在空氣中的損耗系數(shù)

發(fā)射壓電換能器被超聲信號(hào)源的電信號(hào)激勵(lì)后由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生受迫振動(dòng)，振動(dòng)頻率與電信號(hào)激勵(lì)頻率相同，并向周圍空氣定向發(fā)出一近似平面波．接收壓電換能器受迫振動(dòng)后產(chǎn)生壓電效應(yīng)輸出電信號(hào)，電信號(hào)的頻率與超聲波的振動(dòng)頻率相同．當(dāng)發(fā)射換能器和接收換能器2個(gè)端面互相平行時(shí)，超聲波和回波在2個(gè)端面之間產(chǎn)生干涉，形成駐波．駐波的振幅可以表示為［2］

其中：α超聲波在空氣介質(zhì)中的損耗系數(shù)，R為接收換能器的反射系數(shù)，xi為超聲波傳播的距離，Ai為反射點(diǎn)回波振幅，A0為超聲波發(fā)射波振幅，在實(shí)驗(yàn)過程中，使用示波器觀察和測量振幅，振幅的幅度大小可以用幅度電壓來表示．（1）式就可以寫為［2］

根據(jù)（2）式，首先將SV5型聲速測量專用信號(hào)源的發(fā)射信號(hào)輸入示波器測量幅度電壓U0，測得U0＝3．3 V；采用超聲波頻率為f1＝37 196 Hz；然后，旋轉(zhuǎn)SV6聲速測量組合儀鼓輪改變接收壓電換能位置，測量每次振幅最大時(shí)的移動(dòng)距離xi，同時(shí)記錄最大的振幅值Ui，測到1組幅度電壓Ui和傳播距離xi的數(shù)據(jù)，如表1所示；根據(jù)最小二乘法就可以得到損耗系數(shù)．

表1 幅度電壓Ui和傳播距離x i的數(shù)據(jù)

根據(jù)最小二乘法就可以得到損耗系數(shù)為0．020 60．選擇不同超聲波頻率，將發(fā)射器信號(hào)輸入示波器測量幅度電壓U0，測得U0＝3．3 V；改變超聲波頻率為f2＝37 296 Hz；測到1組幅度電壓Ui和傳播距離xi的數(shù)據(jù)．調(diào)整發(fā)射器輸出強(qiáng)度，測得信號(hào)輸入示波器的幅度電壓U0＝5．8 V，取超聲波的頻率分別為f3＝36 941 Hz，f4＝37 100 Hz，f5＝37 208 Hz，測量多組幅度電壓Ui和傳播距離xi，根據(jù)（2）式，就可以得到ln（Ui／U0）和傳播距離xi之間的關(guān)系曲線，如圖3所示．用最小二乘法處理數(shù)據(jù)就得到其損耗系數(shù) 分 別 為 ：α2＝0．019 05，α3＝0．019 97，α4＝0．019 05，α5＝0．019 98．根據(jù)（2）式，可以得到幅度電壓Ui和傳播距離xi之間的關(guān)系曲線，如圖4所示．

圖3 ln（U i／U 0）和傳播距離xi的之間的關(guān)系

圖4 幅度電壓U i和傳播距離x i之間的關(guān)系

4 測量超聲波在水中的傳播速度

測量超聲波在水中的傳播速度，在測量過程中，由于共振干涉法形成的駐波波腹處振幅隨著傳播距離的變化不是很明顯，接收壓電換能器的信號(hào)由于水的波動(dòng)而波動(dòng)，所以采用相位比較法測量在水中的傳播速度．溫度為t＝25℃，超聲信號(hào)源頻率為37 320 Hz，先將SV5型聲速測量專用信號(hào)源的發(fā)射S1和SV6聲速測量組合儀發(fā)射S1利用卡口線連接，SV6聲速測量組合儀接收S2與CS－4125型示波器CH2通道連接，SV5型聲速測量專用信號(hào)源的發(fā)射波形和示波器CH1通道連接；示波器時(shí)間靈敏度旋轉(zhuǎn)到X－Y擋位；旋轉(zhuǎn)SV6聲速測量組合儀鼓輪改變接收壓電換能位置，根據(jù)李薩如圖判斷2個(gè)信號(hào)之間的相位差；測量的數(shù)據(jù)如表2所示．

表2 測量超聲波在水中的傳播速度的數(shù)據(jù)

采用逐差法處理數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出在水中傳播的波長λ＝39．77mm，根據(jù)傳播速度、頻率和

5 結(jié)束語

波長之間的關(guān)系就可以計(jì)算出超聲波在水中的傳播速度為

在測量超聲波在空氣中傳播速度實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，開設(shè)了超聲波專題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，分別增加了不設(shè)預(yù)案的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，測量壓電換能器的共振頻率、超聲波在空氣中的損耗系數(shù)、超聲波在水中的傳播速度等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；在數(shù)據(jù)處理方面分別使用了最小二乘法和逐差法；在實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫方面要求學(xué)生利用計(jì)算機(jī)輔助作圖技術(shù)完成作圖要求，作圖軟件分別使用了Excel，Matlab，Origin；實(shí)驗(yàn)完成以后學(xué)生對自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了分析和評(píng)估，并分析了誤差來源．通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅豐富大學(xué)物理聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且開拓了學(xué)生的視野，實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)了學(xué)生勤于思索、勇于實(shí)踐的科學(xué)精神，提高了學(xué)生分析問題解決問題的能力．

［1］ 蘇學(xué)軍，張立春，張勇．設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程中的設(shè)置與評(píng)價(jià)［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（5）：137－139．

［2］ 房曉勇．聲學(xué)實(shí)驗(yàn)及部分聲學(xué)量的測量［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2001，22（1）：8－10．

［3］ 牛原，趙中齡，騰永平，等．超聲波專題實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與教學(xué)［J］．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007，20（3）：43－46．

［4］ 王開圣，趙志敏，劉小廷．聲速測量實(shí)驗(yàn)原理討論［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（3）：25－28．

［5］ 陳思佳，張文霞，楊啟鳳，等．線性回歸法和 Matlab在復(fù)擺測重力加速度實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（3）：44－46．

［6］ 蒙成舉，蘇安．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中引入Matlab的重要性探析［J］．河池學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，29（增）：103－105．

［7］ 劉燕，周嵐，胡經(jīng)國．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（11）：171－172．

［8］ 張?jiān)雒鳎瑢O臘珍，霍劍青，等．創(chuàng)新研究型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（7）：14－17．