石明吉,宋金璠,郭新峰
(南陽理工學院 電子與電氣工程學院,河南 南陽 473004)
聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的縱波,隨著超聲學研究的迅速發(fā)展,聲學檢測在實際應(yīng)用中已越來越廣泛,對超聲波傳播速度的測量在超聲波測距、無損檢測、定位、測量氣體溫度瞬間變化等方面具有重大意義[1]. 超聲波具有波長短、可定向的優(yōu)點,因此,常被用作測量聲速[2]. 目前,大學物理實驗中的聲速測量方法主要有2種:駐波法(也叫共振干涉法)和相位比較法[3]. 相位比較法因為準確度高而應(yīng)用更加普遍,傳統(tǒng)的相位比較法聲速測量需要尋找李薩如圖形為直線的位置,通常的做法是用連接示波器的聲波接收器在被測區(qū)域內(nèi)逐處測量,一邊移動聲波接收器一邊觀察示波器,當示波器顯示一三象限或二四象限直線時,停止移動聲波接收器,將該點的位置讀數(shù)記錄下來. 然后重復上述操作,直到找到8~12個目標位置. 在尋點過程中,因為相位差沒有數(shù)字化,只能用眼睛觀察,不容易找準一三象限或二四象限直線的位置. 如果聲波接收器反向移動,就會存在回程差,所以尋點效率特別低[4-5]. 為改進相位比較法的缺陷,讓相位比較法成為既簡單又準確的聲速測量方法,筆者研制了全自動相位差聲速測量裝置. 利用AD8302模塊實現(xiàn)了相位差的數(shù)字化[6];利用單片機、步進電機、步進電機驅(qū)動器,采集卡和上位機提高了測量的效率和測量的精度,消除了回程差的影響.
按照波動理論,在聲波的傳播方向上的任何兩點,如果振動狀態(tài)相同或者其相位差是2π的整數(shù)倍,這兩點間的距離就是波長的整數(shù)倍. 實驗采用圖1所示實驗裝置. 從聲波發(fā)射器S1發(fā)出的超聲波通過空氣到達聲波接收器S2,在發(fā)射波和接收波之間產(chǎn)生相位差為
φ=2πl(wèi)/λ.
(1)
式中,l是聲波發(fā)射器與聲波接收器之間的距離,λ是波長. 可見,若要使相位差改變2π,那么聲波發(fā)射器與聲波接收器之間的距離l就要相應(yīng)地改變λ. 沿聲波傳播方向移動接收器時,總可以找到某位置使得接收到的信號與發(fā)射器的激勵電信號同相位(相位差是2π的整數(shù)倍). 繼續(xù)移動接收器,直到找到的信號再次與發(fā)射器的激勵信號同相位時,移過的這段距離就等于聲波的波長λ. 由信號發(fā)生器可讀出頻率f,即可算出聲速v=λf,這種方法就是相位比較法[7].
圖1 相位比較法測量聲速裝置示意圖
全自動相位差法聲速測量裝置由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲波接收器移動系統(tǒng)和上位機3部分構(gòu)成,如圖2所示. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由聲波接收器、AD8302模塊、數(shù)據(jù)采集卡、待測聲波場、電源1(給AD8302模塊供電)和電源2(給采集卡和步進電機驅(qū)動器供電)組成. 聲波發(fā)射器固定到絲杠導軌的固定塊上,聲波發(fā)生器與信號發(fā)生器的輸出端相連. 待測聲波場的媒質(zhì)是空氣. 聲波接收器移動系統(tǒng)由STC89C52單片機、步進電機驅(qū)動器、步進電機、絲杠導軌(加載有聲波接收器)和電源2構(gòu)成. 聲波接收器利用接收器支架鎖定在絲杠的滑塊上. 聲波接收器要插入并鎖定在接收器支架上,聲波接收器端面的法線方向要與絲杠的軸向剛好平行;聲波接收器的高度與聲波發(fā)生器的高度要相同. 將信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號和接收器接收的信號分別接到AD8302模塊的INPA和INPB,由AD8302模塊的PHASE端輸出與兩信號相位差成反比的電壓信號. 上位機控制系統(tǒng)利用C語言編程,通過步進電機驅(qū)動器控制步進電機的轉(zhuǎn)動,利用步進電機帶動絲杠導軌運動,從而實現(xiàn)聲波接收器的運動;通過數(shù)據(jù)采集卡獲得AD8302輸出的電壓數(shù)據(jù),利用軟件畫圖,給出相位差變化與接收器位置的關(guān)系圖,并保存數(shù)據(jù)和圖片.
圖2 全自動相位差法聲速測量裝置的結(jié)構(gòu)框圖
實驗時溫度為15 ℃,諧振頻率為38.61 kHz,設(shè)定數(shù)據(jù)的采集周期為300 ms,數(shù)據(jù)點為4 000個. 利用步進電機驅(qū)動器的細分功能,將步進電機的步距角設(shè)為0.9°,絲桿的導程為4 mm,因此步進電機每走一步,聲波接收器移動0.01 mm. 測試開始前,發(fā)射器與接收器之間的距離約為4 cm;測試過程中,二者逐漸遠離. 將全自動相位差法聲速測量裝置生成的Excel數(shù)據(jù)用Origin軟件處理,可得到AD8302輸出的電壓變化與聲波接收器位置的關(guān)系,如圖3所示.
圖3 AD8302輸出電壓隨接收器位置的變化
v=λf=343.63 m/s.
(2)
已知聲速在標準大氣壓下與傳播介質(zhì)空氣的溫度關(guān)系為[8]
vs=331.45+0.59t.
(3)
此外,圖3中后3個峰兩端出現(xiàn)了伴峰,尤其是第5個峰的兩側(cè),伴峰非常明顯.
全自動相位差法聲速測量裝置利用AD8302模塊實現(xiàn)了相位差測量的數(shù)字化;利用單片機、步進電機,步進電機驅(qū)動器和滾珠絲杠實現(xiàn)了聲波接收器運動的自動化;利用上位機和采集卡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動化. 在提高測量精度的同時,消除了回程誤差,提高了數(shù)據(jù)采集的效率. 采集實驗數(shù)據(jù)的同時,上位機實時繪出相位差變化與接收器位置關(guān)系圖. 本裝置原理簡單、成本低廉、容易操作、效果直觀.
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