程貞 陳高攀 喻志遠(yuǎn) 楊正波

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué) 湖北 襄陽(yáng) 441053)

1 實(shí)驗(yàn)原理

在理想情況下，將空氣看作均勻的介質(zhì)，則聲波在空氣中將沿直線傳播，而且聲波波長(zhǎng)在均勻介質(zhì)中將保持不變．由波動(dòng)理論，我們知道聲波的傳播與波的頻率是無(wú)關(guān)的．采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為f的正弦波信號(hào)激勵(lì)一個(gè)壓電陶瓷片(固定的發(fā)射裝置)產(chǎn)生超聲波，用另一個(gè)參數(shù)相同的壓電陶瓷片(移動(dòng)的接收裝置)共振接收超聲波信號(hào)并產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波信號(hào)，再用單片機(jī)及相應(yīng)電路測(cè)量這兩列信號(hào)的相位差．設(shè)聲波傳播方向上有一點(diǎn)A與聲源的距離為s1，相位差為α；在A后，找到第N(N=2，3，4，…)個(gè)與聲源的距離為s1,相位差也為α的點(diǎn)B．則可以確定傳播過(guò)程中聲波波長(zhǎng)

則由v=fλ，即可得到聲波的速度為

2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹(圖1)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖

信號(hào)發(fā)生(發(fā)生)器：AD9850；

信號(hào)發(fā)射(接收)器：壓電陶瓷超聲波發(fā)生器；

信號(hào)處理器(1)： 放大電路，方波發(fā)生電路；

信號(hào)處理器(2)：TI高速運(yùn)放(THS4130)，4.5 ns比較器(TLV3502)，時(shí)鐘頻率為72 M的32位處理器 STM32[4]．

2.2 測(cè)量方法

使用AD9850產(chǎn)生一個(gè)高精密的正弦波信號(hào)放大后激勵(lì)超聲波發(fā)射器，并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與該正弦波同相位、上升沿極小、占空比為50%的方波信號(hào)．運(yùn)用信號(hào)處理器(1)一方面對(duì)正弦波進(jìn)行放大并送發(fā)射器發(fā)射出去，讓接收器接收；另一方面對(duì)正弦波信號(hào)進(jìn)行放大和快速過(guò)零比較得到同相位、上升沿極小、占空比為50%的方波信號(hào)，并將該方波信號(hào)送入時(shí)鐘頻率為72 M的32位處理器 STM32．同時(shí)將接收到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器(2)放大和快速過(guò)零比較得到同相位、上升沿極小、占空比為50%的方波信號(hào)，也將該方波信號(hào)送入時(shí)鐘頻率為72 M的32位處理器STM32，測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波的上升沿時(shí)差來(lái)確定兩個(gè)信號(hào)的相位差，并采用動(dòng)態(tài)平均算法得到一個(gè)較穩(wěn)定的精確相位差，并用12864屏顯示出來(lái)．

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

為了得到較精確的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時(shí)可測(cè)多個(gè)連續(xù)波的總長(zhǎng)度求平均值，也可連續(xù)測(cè)出一系列相位差為α?xí)r的坐標(biāo)進(jìn)行逐差，算出波長(zhǎng)后確定聲速．實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了空氣中不同溫度、頻率條件下10個(gè)完整波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

聲速的理論公式為vt=331.45+0.6t，其中t表示攝氏溫標(biāo)下的環(huán)境溫度[5]．

經(jīng)過(guò)多次的測(cè)量，測(cè)得的聲速在各個(gè)頻率均與理論值很接近，誤差小于0.1%，而“共振干涉法”在最佳情況下，其相對(duì)誤差才能達(dá)到0.1%．

4 結(jié)論

改進(jìn)后的相位差法聲速測(cè)量?jī)x，操作簡(jiǎn)單．通過(guò)測(cè)量不同頻率的超聲波在空氣中傳播的聲速，結(jié)果表明其測(cè)量精度比傳統(tǒng)方法提高很多，且穩(wěn)定性很好，充分驗(yàn)證了聲速的理論公式．

參考文獻(xiàn)

1 黃建群，胡險(xiǎn)峰，雍志華.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).成都：四川大學(xué)出版社,2007.1

2 王山林.關(guān)于聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的研究與設(shè)計(jì). 廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,12(1)

3 孫向輝，周國(guó)輝，劉金來(lái)，楊吉生.關(guān)于空氣中聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)的討論.大學(xué)物理,2001,20(5)

4 Joseph Yiu.ARM Cortex_M3權(quán)威指南.北京：北京航空航天大學(xué)出版社

5 馬大猷,等.聲學(xué)手冊(cè)(修訂版).北京：科學(xué)出版社，2004