石明吉, 宋金璠, 陳蘭莉, 羅鵬暉, 劉 斌

(南陽(yáng)理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院, 河南 南陽(yáng) 473004)

對(duì)超聲波傳播速度的測(cè)量在超聲波測(cè)距、無(wú)損檢測(cè)、定位、測(cè)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(zhǎng)短、可定向的優(yōu)點(diǎn),常被用作測(cè)量聲速[2]。目前,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的聲速測(cè)量方法主要有兩種:駐波法(也叫共振干涉法)和相位比較法[3]。傳統(tǒng)的駐波法需要尋找聲波接收器輸出電壓極大值的位置,在尋點(diǎn)過(guò)程中,因?yàn)椴⒉恢老乱粫r(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度與這一時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度之間的大小關(guān)系,通常情況下,接收端停止移動(dòng)時(shí)會(huì)錯(cuò)過(guò)信號(hào)強(qiáng)度極大的位置或不能達(dá)到信號(hào)強(qiáng)度極大的位置[4]。如果聲波接收器反向移動(dòng),就會(huì)存在回程差,所以尋點(diǎn)的效率特別低[5-6]。

為改進(jìn)駐波法的缺陷,讓駐波法成為一種既簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確的聲速測(cè)量方法,研制了一種全自動(dòng)駐波法聲速測(cè)量?jī)x。從根本上消除回程差,提高數(shù)據(jù)采集的效率,實(shí)時(shí)自動(dòng)繪出聲壓變化與接收器位置關(guān)系圖并自動(dòng)保存數(shù)據(jù)和圖像。

1 駐波法測(cè)量空氣中聲速的原理

圖1為駐波法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖1 駐波法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

聲波發(fā)射器S1發(fā)出的平面聲波經(jīng)介質(zhì)后被聲波接收器S2接收,若接收面與發(fā)射面平行,聲波在接收面處就會(huì)被垂直反射,于是平面聲波在兩端面間來(lái)回反射、疊加,形成駐波[7]。此時(shí),相鄰兩波節(jié)(或波腹)間的距離等于半個(gè)波長(zhǎng)[8]。當(dāng)發(fā)生器的激勵(lì)頻率等于駐波系統(tǒng)的固有頻率f(壓電陶瓷的固有頻率)時(shí),會(huì)產(chǎn)生駐波共振,形成能量較強(qiáng)的駐波[9]。聲波是一種縱波,由縱波的性質(zhì)可以證明駐波波節(jié)處的聲壓最大。因此,當(dāng)接收端面處為一波節(jié)時(shí),接收到的聲壓最大,轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也最強(qiáng)[10]。測(cè)量時(shí),如果移動(dòng)聲波接收器到某個(gè)位置時(shí),示波器上出現(xiàn)了最強(qiáng)的信號(hào),需記下該位置并繼續(xù)移動(dòng)接收器,再次出現(xiàn)最強(qiáng)的信號(hào)時(shí),再記下其位置,則兩次信號(hào)最強(qiáng)的位置之間的距離即為λ/2。實(shí)驗(yàn)時(shí),改變聲波發(fā)生器和聲波接收器之間的距離,可以看到示波器上顯示的信號(hào)幅度發(fā)生周期性的大小變化,即由一個(gè)極大變到極小,再變到極大,幅度每一次周期性的變化,就相當(dāng)于聲波發(fā)射器和聲波接收器之間的距離改變了λ/2,聲波發(fā)生器和聲波接收器之間距離的改變由螺桿位移系統(tǒng)上的讀數(shù)系統(tǒng)讀出。由信號(hào)發(fā)生器可讀出超聲源的頻率f,即可由v=λf計(jì)算出聲速v。這種方法就是駐波法[11-12]。

2 整體設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本全自動(dòng)聲速測(cè)量?jī)x由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲波接收器移動(dòng)系統(tǒng)和上位機(jī)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、有效值檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集卡、聲波發(fā)生器、電源1(給有效值檢測(cè)模塊供電)和電源2(給采集卡供電)組成。聲波發(fā)射器固定到絲杠導(dǎo)軌的一個(gè)固定塊上,聲波發(fā)生器與信號(hào)發(fā)生器的輸出端相連。待測(cè)駐波場(chǎng)的媒質(zhì)是空氣。聲波接收器移動(dòng)系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī),絲杠導(dǎo)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。上位機(jī)控制系統(tǒng)利用C語(yǔ)言編程,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)聲波接收器的運(yùn)動(dòng)。利用有效值檢測(cè)模塊將聲波接收器產(chǎn)生的高頻交變電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào),數(shù)據(jù)采集卡采集有效值檢測(cè)模塊輸出的電壓值。由于該電壓值與聲波接收器所處位置的聲壓成正比,所以,該電壓的變化反映聲壓的變化。為簡(jiǎn)單計(jì),可以直接定義該電壓對(duì)應(yīng)聲壓。利用軟件進(jìn)行畫(huà)圖,給出聲壓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(dòng)聲速測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)中安裝有利用C語(yǔ)言編寫的聲速測(cè)量軟件,該電場(chǎng)測(cè)繪軟件具體流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度為15 ℃，諧振頻率為39.95 kHz,設(shè)定數(shù)據(jù)的采集周期為300 ms,數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為2 000個(gè)。利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分功能,將步進(jìn)電機(jī)的步距角設(shè)為0.9°,絲桿的導(dǎo)程為4 mm,因此步進(jìn)電機(jī)每走一步,聲波接收器移動(dòng)0.01 mm。聲波發(fā)射器固定不動(dòng),聲波接收器從遠(yuǎn)處向聲波發(fā)射器運(yùn)動(dòng)。測(cè)試開(kāi)始前,發(fā)射器與接收器之間的距離約為4 cm,測(cè)試過(guò)程中,二者逐漸靠近。聲波接收器輸出的電壓值隨聲波接收器位置的變化關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 聲速測(cè)量?jī)x軟件界面顯示的聲壓隨聲波接收器位置的變化

將自動(dòng)聲速測(cè)量?jī)x生成的Excel數(shù)據(jù)用Origin軟件處理,得到聲波接收器輸出電壓變化與聲波接收器位置的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。與圖4比較可知,聲速測(cè)定軟件給出的聲波接收器輸出電壓變化與聲波接收器位置的關(guān)系曲線與Origin軟件處理得到的聲波接收器輸出電壓變化與接收器位置的關(guān)系圖反映的規(guī)律是一樣的,只不過(guò),Origin軟件給出的聲波接收器輸出電壓變化曲線更平滑,處理更方便一些。

圖5 用Origin7.5軟件處理測(cè)試數(shù)據(jù)得到的聲壓與聲波接收器位置關(guān)系曲線

從圖5可見(jiàn),隨著聲波接收器逐漸靠近聲波發(fā)射器,聲壓信號(hào)依次周期性地出現(xiàn)極大值—極小值—極大值……，極大值和極小值的數(shù)值逐漸變大；在相鄰的極大值之間出現(xiàn)“次極大”(也叫次峰)和“再次極大”(也叫再次峰)；次峰與主峰逐漸靠近,再次峰與主峰逐漸遠(yuǎn)離。

已知聲速在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下與傳播介質(zhì)空氣的溫度關(guān)系為

vs=331.45+0.59t

將t=15 ℃代入上式后,得到該溫度下修正后的聲速值為vs=331.45+0.59t=340.30 m/s

4 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)駐波法聲速測(cè)量?jī)x利用有效值檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)了聲壓的數(shù)字化,消除了回程誤差,聲波接收器的運(yùn)動(dòng)、數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,提高了數(shù)據(jù)采集的效率。上位機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)繪出聲波接收器輸出電壓有效值與接收器位置關(guān)系曲線，不僅清楚地展示了聲壓隨位置的變化情況,還有利于排除次峰和再次峰法影響。原理簡(jiǎn)單、成本低廉、容易操作、效果直觀,可取代傳統(tǒng)的手動(dòng)聲速測(cè)量,具有一定的推廣價(jià)值。

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