周 珺

(蘭州交通大學(xué),甘肅蘭州 730070)

基于原有實(shí)驗(yàn)的超聲波設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

周 珺

(蘭州交通大學(xué),甘肅蘭州 730070)

利用THSS-1型聲速測(cè)量?jī)x進(jìn)行改造,將超聲波實(shí)驗(yàn)改造為專(zhuān)題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),測(cè)量超聲波在液體(任意流體)中的傳播速度以及超聲波在其中的損耗系數(shù)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1-7];在數(shù)據(jù)處理上利用Matlab,Origin計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)完成。

超聲波;損耗系數(shù);傳播速度;Origin軟件

怎樣在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)之上,進(jìn)行改裝,開(kāi)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,是所有物理教師的想法.利用THSS-1型聲速測(cè)量?jī)x進(jìn)行改造,將超聲波實(shí)驗(yàn)改造為專(zhuān)題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),測(cè)量超聲波在液體(任意流體)中的傳播速度以及超聲波在其中的損耗系數(shù)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1-7];在數(shù)據(jù)處理上利用Matlab,Origin計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)完成.通過(guò)專(zhuān)題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)既開(kāi)發(fā)了原有儀器,又可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力。

1 測(cè)量超聲波在機(jī)油(30W)中的損耗

1.1 改造THSS-1型聲速測(cè)量?jī)x

利用THSS-1型聲速測(cè)量?jī)x,改裝成測(cè)量超聲波在任意液體中的損耗系數(shù)和傳播速度的儀器,具體做法:(1)利用玻璃膠密封THSS-1型聲速測(cè)量?jī)x的換能器接線(xiàn)端,(2)用10 mm厚的亞克力透明塑料板通過(guò)玻璃膠粘貼,做一個(gè)26 cm (高)×11 cm×24 cm(隔為12 cm+12 cm的兩部分,便于放置帶液體的THSS-1型聲速測(cè)量?jī)x)的容器(上開(kāi)口)。(3)實(shí)驗(yàn)時(shí),將THSS-1型聲速測(cè)量?jī)x鼓輪一端朝上,立放在容器槽里,再添加液體。經(jīng)實(shí)驗(yàn)效果不錯(cuò)。

1.2 原理

發(fā)射壓電換能器被超聲信號(hào)源的電信號(hào)激勵(lì)后發(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?chē)黧w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如下式:

圖1 儀器配置圖

其中:α超聲波在流體介質(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(guò)程中,使用示波器觀(guān)察和測(cè)量振幅(與交流毫伏表并聯(lián)測(cè)量更精準(zhǔn)),振幅的幅度大小可以用幅度電壓來(lái)表示。

(1)式就可以寫(xiě)為

ln(Ui/U0)與Xi成線(xiàn)性關(guān)系。其斜率就是α超聲波在液體介質(zhì)中的損耗系數(shù)。

1.3 步驟

根據(jù)(2)式,首先將SG1020S型雙路數(shù)字合成信號(hào)源的正弦波發(fā)射信號(hào)輸入示波器(同時(shí)將DA-16D交流毫伏表并接,測(cè)量更準(zhǔn)。)測(cè)量幅度電壓U0,測(cè)得U0=3.3 V;然后將信號(hào)源的正弦波發(fā)射信號(hào)輸入超聲波換能器的固定端,采用超聲波頻率為f=37 196 Hz;超聲波換能器的移動(dòng)端輸出到示波器,旋轉(zhuǎn)它的鼓輪改變接收換能器的位置,測(cè)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(cè)到1組幅度電壓Ui和傳播距離xi的數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 U0=3.3 V 幅度電壓Ui(ln(Ui/U0))和傳播距離xi的數(shù)據(jù)

圖2 Ui隨Xi變化的衰減圖

圖3 ln(Ui/U0)與Xi關(guān)系圖

1.4 數(shù)據(jù)處理

從圖2可知,Ui隨Xi變化衰減的很快。利用圖3通過(guò)最小二乘法線(xiàn)性擬合求得機(jī)油的衰減系數(shù)α=0.162 2 dB/cm,誤差范圍:+/-0.009 5 (5.879%)。從圖3分析可知,后半段的線(xiàn)性較好,所以利用逐差法求得斜率即衰減系數(shù)α =0.209 4 dB/cm.

表2 后半段數(shù)據(jù)

2 測(cè)量超聲波在機(jī)油(30W)中的傳播速度

測(cè)量超聲波在機(jī)油中的傳播速度,在測(cè)量過(guò)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)由于機(jī)油的波動(dòng)而波動(dòng),所以采用相位比較法測(cè)量在機(jī)油中的傳播速度.溫度為t=27℃,超聲信號(hào)源頻率為37 320 Hz,先將SG1020S型雙路數(shù)字合成信號(hào)源的正弦波發(fā)射信號(hào)輸入到Y(jié)B4320型示波器CH1和固定發(fā)射換能器S1(兩者并聯(lián)),移動(dòng)換能器接收端S2與YB4320型示波器CH2通道連接;示波器時(shí)間靈敏度旋轉(zhuǎn)到X-Y擋位;旋轉(zhuǎn)聲速測(cè)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(cè)量的數(shù)據(jù)如表2所示.

表3 測(cè)量超聲波在機(jī)油(30W)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)算出在機(jī)油(30W)中傳播的波長(zhǎng)λ=2.98 cm,根據(jù)傳播速度、頻率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系就可以計(jì)算出超聲波在機(jī)油(30W)中的傳播速度為v測(cè)=λf=1 112.13 m/s.(網(wǎng)上查到:超聲波在煤油中的傳播速度為1 324m/s,因機(jī)油(30W)的比重比煤油的小,所以其傳播速度也小)

為了驗(yàn)證儀器的可靠性,利用利薩如圖形測(cè)試了水(27℃)中超聲波的傳播速度,數(shù)據(jù)如下表:(f=37 320 Hz)

表4 水中超聲波的傳播速度

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(zhǎng)λ=3.91 cm(或λ=2(15.30-5.50)/5= 3.92 cm),根據(jù)傳播速度、頻率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系就可以計(jì)算出超聲波在機(jī)油(30W)中的傳播速度為v測(cè)=λf=1 459.62m/s(網(wǎng)上查到:25℃時(shí)超聲波在水中的傳播速度1 500 m/s).說(shuō)明儀器可靠。

3 誤差分析

(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于換能器的移動(dòng)導(dǎo)致的液體波動(dòng),對(duì)分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響,引起測(cè)量誤差。

(2)在測(cè)量過(guò)程中無(wú)法保持恒溫,而溫度的變化對(duì)分子的熱運(yùn)動(dòng)影響很大,因此對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的也產(chǎn)生較大的影響。

(3)由于THSS-1型聲速測(cè)量?jī)x本身的尺寸小,只能測(cè)量有限的的幾個(gè)數(shù)據(jù),導(dǎo)致線(xiàn)性擬合不夠理想。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)經(jīng)設(shè)計(jì)、改造、測(cè)量、數(shù)據(jù)處理(利用電腦作圖軟件Matlab或Origin)、誤差分析等,不僅豐富了大學(xué)物理聲學(xué)實(shí)驗(yàn),而且開(kāi)拓了學(xué)生的視野,實(shí)驗(yàn)過(guò)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(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

[1] 劉寧寧等,駐波法測(cè)超聲波衰減系數(shù)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2011(5).

[2] 王寅觀(guān).用脈沖法測(cè)量超聲波的衰減系數(shù)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,1987(2).

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Based on the Original Experiment of Ultrasonic Design Experiments

ZHOU Jun
(Lanzhou Jiaotong University,Gansu Lanzhou 730070)

It uses THSS-1 type of sound velocitymeasuring instrument,transformed ultrasonic experiments for the project design experiments and measuring the ultrasonic velocity in liquid(any fluid)and ultrasonic wave in the experiment content,such as loss coefficient.On the data processing using Matlab,Origin computer aided technology to complete.

ultrasonic;loss coefficient;propagation speed;Origin software

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.026

1007-2934(2015)06-0086-03

2015-07-04