張緒德,李永濤,王秦君,葛智勇,董成林,劉 輝

(南京郵電大學(xué) 理學(xué)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(shù)已得到廣泛地應(yīng)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(guān). 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(shí)際生產(chǎn)和生活上具有實(shí)用意義. 聲速測量實(shí)驗(yàn)也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)綜合性較強(qiáng)的內(nèi)容，它不僅可使學(xué)生綜合應(yīng)用示波器、信號發(fā)生器等電子儀器的能力得到訓(xùn)練，還可以加強(qiáng)學(xué)生對振動與波的概念的認(rèn)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(shí)差法及共鳴管駐波法等. 共振干涉法是常用的實(shí)驗(yàn)方法，其實(shí)驗(yàn)原理比較抽象，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能充分展示實(shí)驗(yàn)原理，教師難以講授清楚，學(xué)生也難以真正理解實(shí)驗(yàn)原理，更難以掌握實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析. 本文著重討論共振干涉法測聲速時(shí)，對現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行改進(jìn)，使得聲速測量儀器小型化、智能化.

2 實(shí)驗(yàn)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(guān)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(shí)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(dá)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(dá)發(fā)射面上時(shí)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(dāng)2個(gè)聲波幅度相同、方向相反進(jìn)行傳播時(shí)，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(qiáng)，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(shí)驗(yàn)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(dá)到共振時(shí)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(shí)，需要學(xué)生在示波器上找到出現(xiàn)波峰最大的位置，由于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不太容易判斷最大波峰的所在位置，往往錯(cuò)過讀數(shù)的最佳時(shí)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(shí)驗(yàn)缺陷，對現(xiàn)行的聲速測量裝置進(jìn)行了改裝，可以有效解決以上問題，提高實(shí)驗(yàn)的精度.

3 技術(shù)原理

3.1 機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)的智能型的聲速測量裝置是要代替手工操作，整個(gè)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(jìn)電機(jī)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(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，將接收端的信號，經(jīng)過運(yùn)放電路傳到單片機(jī)上，通過單片機(jī)的AD采樣找到信號波峰位置. 此外可以通過步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的步數(shù)確定找到波峰位置時(shí)的最大值，依此步驟經(jīng)過多次測量，計(jì)算出1組數(shù)據(jù)[注：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器測量聲速時(shí)，波長測量的精度取決于游標(biāo)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(shí)驗(yàn)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(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角1.8°，所以精讀可達(dá)0.000 5 mm，即在相同的共振頻率下，測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會有較高的提高],然后應(yīng)用逐差法可以提高實(shí)驗(yàn)的精度，這樣就可以把峰值達(dá)到最大值時(shí)，發(fā)送面和接收面之間的間隔距離測量出來. 從而計(jì)算出聲波的波長.

3.2 運(yùn)放電路及信號采集處理

由于接收端的信號強(qiáng)度比較弱，使用單片機(jī)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(yùn)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(yùn)放搭成同相比例放大器，因?yàn)樗休斎腚娮韪?、輸出電阻小、電路簡單等?yōu)點(diǎn)，信號放大電路，如圖4所示. 其中，Vo=(1+Rf/R1)Vi. 通過合理設(shè)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(jī)的ADC進(jìn)行采樣，把數(shù)據(jù)存儲起來之后進(jìn)行處理.

圖4 信號放大電路圖

4 結(jié)束語

改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置減少了實(shí)驗(yàn)過程中手動測量產(chǎn)生的誤差，應(yīng)用現(xiàn)代化的全智能的實(shí)驗(yàn)裝置留給學(xué)生更多的時(shí)間去思考實(shí)驗(yàn)原理及其過程. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，還對現(xiàn)有的空氣中聲速測量裝置進(jìn)行了改進(jìn)，使現(xiàn)有裝置既能測量空氣中的聲速，減少了重復(fù)購置儀器的投資，獲得了較好的實(shí)驗(yàn)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(diǎn). 該儀器綜合了聲學(xué)、電學(xué)和機(jī)械動力學(xué)知識，是一個(gè)典型的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)儀器，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力有很大的幫助.

參考文獻(xiàn)：

[1] 李光仲,劉俊英，王云創(chuàng)，等. 聲速測量實(shí)驗(yàn)裝置擴(kuò)展應(yīng)用[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2006,26(2):35.

[2] 潘學(xué)軍. 聲速測量裝置實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn), 2006,26(5):18-21.

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

[4] 劉鎮(zhèn)清. 一種改進(jìn)的脈沖回波聲速測量方法[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(xué)物理實(shí)驗(yàn),2012,25(1):10-12.

[6] 劉愛華. 傳感器在超聲速測量中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22(9):32-33,38.

[7] 郭立群,李將錄，萬新. 單片機(jī)在測量聲速實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 物理實(shí)驗(yàn),1995,15(3):127-128.