周紅仙，王 毅

(東北大學(xué)秦皇島分校，河北秦皇島 066004)

把工程實際問題引入大學(xué)物理實驗，對于激發(fā)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、擴(kuò)大知識面、培養(yǎng)綜合能力有明顯的幫助，這是目前實驗教學(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壓電換能器，通過直接測量聲信號到達(dá)兩換能器的時間間隔，計算厚度［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，利用傅立葉變換計算回波時間的厚度測量方法，和雙換能器直接測量回波時間相比，這種方法是通過頻域計算回波時間，不受回波信號波形的影響，有較高的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)以Labview(Laboratory Virtual instrument Engineering)為開發(fā)平臺，LabVIEW是一種圖形化的編程語言，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，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)物理實驗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驗項目相比［4，5］，本系統(tǒng)包括聲學(xué)、計算機(jī)控制、信號采集、信號處理等多領(lǐng)域知識，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)物理實驗教學(xué)中的綜合性、設(shè)計性實驗，對于激發(fā)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、擴(kuò)大知識面、培養(yǎng)綜合能力有很大的幫助。

1 原理與實驗系統(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，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出射波，相鄰出射波的時間間隔，就等于聲波在表面1和2之間往返一次的時間。對于非均勻介質(zhì)，由于聲波在物體內(nèi)部傳播過程中，聲波信號會發(fā)生變化，因此用時域的方法計算各個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)部往返一次的時間為T，則多個回波信號的時間間隔即為T，對測量信號進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，其幅度譜極大值點對應(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。用兩個換能器，置于物體表面，測量聲波在兩個換能器之間的傳輸時間差及兩個探測器之間的距離，就可以簡單的計算出聲速V。

圖1 實驗裝置圖

實驗裝置圖如圖1(b)所示，以Labview為開發(fā)平臺，通過GPIB卡連接計算機(jī)和一臺示波器(Tektronix，TDS210)，用計算機(jī)控制示波器對回波信號的采集并傳到計算機(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，轉(zhuǎn)換為電信號傳給示波器，示波器把信號通過GPIB卡傳給計算機(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)為一個采集到的典型的回波多次反射信號，信號經(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，實驗樣品是厚度為381.5 mm的石柱，隨著反射次數(shù)增加，信號出現(xiàn)明顯的衰減。

圖2 (a)采集到的回波信號(b)傅立葉變換結(jié)果

圖2(b)為對圖2(a)所示信號做FFT的幅度譜，其中幅度極大值所對應(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，由此計算出樣品的厚度為38.25 cm。

對厚度為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，相對誤差最大是0.682%，最小是0.13%，測量結(jié)果的相對誤差都小于1%，測得的駐波頻率在5 kHz左右，重復(fù)性較好。

以上實驗結(jié)果顯示，回波法測量石柱厚度的結(jié)果與其實際厚度相符，厚度檢測結(jié)果相對誤差小于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 實驗結(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為平臺建立了回波法厚度測量系統(tǒng)，使用FFT計算聲波在樣品內(nèi)部的傳輸時間，可以使系統(tǒng)簡單，不需要復(fù)雜的雙換能器驅(qū)動及接受電路。本系統(tǒng)硬件只需要計算機(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)行簡單的信號處理。整個系統(tǒng)利用實驗室常用設(shè)備即可完成，不需要太多的信號處理知識，成本較低、設(shè)計新穎，物理思想清晰，適合用于物理實驗教學(xué)，特別適合學(xué)生作為綜合設(shè)計性物理實驗進(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: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)物理實驗［M］.2版，武漢:華中師范大學(xué)出版社，2010.

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