石明吉 羅鵬暉 劉 斌 于家輝

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

1 引言

聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的縱波，隨著超聲學(xué)研究的迅速發(fā)展，聲學(xué)檢測在實(shí)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(diǎn)，因此，常被用作測量聲速[2]．目前，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的聲速測量方法主要有兩種：駐波法(也叫共振干涉法)和相位比較法[3]．駐波法是讓聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波，超聲波遇到接收器被反射，反射波與入射波疊加，形成駐波．移動(dòng)聲波接收器，將接收器產(chǎn)生的電信號(hào)送給示波器進(jìn)行觀察．當(dāng)接收器依次經(jīng)過波腹、波節(jié)、波腹、波節(jié)等的時(shí)候，示波器上波形的幅值(幅值與聲壓成正比)依次出現(xiàn)最小、最大、最小、最大……由于相鄰兩個(gè)波腹或波節(jié)之間的距離等于半個(gè)波長，進(jìn)而得到波長，然后將波長與頻率相乘就得到波速．相位比較法是將信號(hào)源的信號(hào)利用分支器一分為二，一路直接給示波器的一個(gè)通道，另一路給聲波發(fā)射器，將聲波接收器產(chǎn)生的信號(hào)接示波器的另一個(gè)通道，然后將示波器調(diào)整到X-Y工作狀態(tài)，得到利薩如圖形．改變接收器位置，則接收器產(chǎn)生的信號(hào)的位相開始變化．假設(shè)在某一位置，兩路信號(hào)的相位差是2π的整數(shù)倍，則利薩如圖形是一三象限的一條直線．由于沿著波傳播的方向，每走一個(gè)波長，位相改變2π，一三象限的直線就重復(fù)出現(xiàn)一次．將出現(xiàn)一三象限直線的接收器位置記錄下來，相鄰兩個(gè)位置的間隔就是波長，有了波長，再乘以頻率就得到波速．不管是駐波法還是相位比較法，都是用眼睛觀察示波器進(jìn)行測量．測量的時(shí)候，為防止回程差的影響，不能回頭，只能朝一個(gè)方向不斷地移動(dòng)測量，不容易測準(zhǔn)確；利用人眼觀察、讀數(shù)、移動(dòng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力．為解決這個(gè)問題，有必要研究全自動(dòng)聲速測量系統(tǒng)．

2 整體設(shè)計(jì)

自動(dòng)聲速測量系統(tǒng)要完成兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)是通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過絲杠實(shí)現(xiàn)聲波接收器的運(yùn)動(dòng)；另一個(gè)是采集卡采集數(shù)據(jù)，傳給上位機(jī)，在上位機(jī)界面上畫圖并保存數(shù)據(jù)．

2.1 駐波法

為了實(shí)現(xiàn)聲壓測量的自動(dòng)化，有必要將接收器產(chǎn)生信號(hào)的峰值或有效值進(jìn)行數(shù)字化，AD637有效值檢測模塊可以實(shí)現(xiàn)這一功能．將接收器產(chǎn)生的信號(hào)送到AD637模塊，AD637輸出的直流電壓信號(hào)送給采集卡采集．系統(tǒng)的框圖如圖1所示．

圖1 全自動(dòng)駐波法聲速測量系統(tǒng)框圖

2.2 相位比較法

為了相位差測量的自動(dòng)化，有必要將相位差測量數(shù)字化，AD8302相位差測量模塊可以完成這個(gè)任務(wù)．將來自信號(hào)源的信號(hào)和聲波接收器產(chǎn)生的信號(hào)輸給AD8302相位差測量模塊，AD8302輸出與兩信號(hào)相位差成反比的直流電壓信號(hào)[4]，將這一信號(hào)送給采集卡采集．系統(tǒng)的框圖如圖2所示．

圖2 全自動(dòng)相位比較法聲速測量系統(tǒng)框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

用駐波法測量，室溫17.8 ℃，信號(hào)源vPP=11 V，開始調(diào)到共振頻率40.08 kHz，開始時(shí)，聲波發(fā)射器與聲波接收器之間緊靠，由近及遠(yuǎn)測量，設(shè)置測量點(diǎn)數(shù)目為6 000個(gè)，時(shí)間間隔300 ms．將得到的數(shù)據(jù)利用Oringin7.5 進(jìn)行處理，結(jié)果如圖3所示．

圖3 駐波法聲速測量實(shí)驗(yàn)中聲壓與位置的關(guān)系

根據(jù)駐波理論，相鄰的波腹與波腹之間、波節(jié)與波節(jié)之間的距離都是半個(gè)波長．所以，既可以根據(jù)聲壓振幅的各極大值點(diǎn)位置計(jì)算波長，也可以根據(jù)聲壓振幅的各極小值點(diǎn)位置計(jì)算波長．根據(jù)聲壓振幅的各極大值點(diǎn)位置，可以計(jì)算出

λ=8.75 mm

所以

v=λf=350.7 m/s

根據(jù)聲壓振幅的各極小值點(diǎn)位置，可以計(jì)算出

λ=9.05 mm

這樣可以算出

v=λf=362.7 m/s

(1)

其中

v0=331.45 m/s

T0=273.15 K

T=(t+273.15) K=290.95 K

代入式(1)后算出17.8 ℃時(shí)聲速的理論值

v′=342.1 m/s

對比可知，駐波法測量時(shí)，通過極大值點(diǎn)計(jì)算波速比較準(zhǔn)確．這與文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]的觀點(diǎn)相吻合．由于次峰的出現(xiàn)，如3 642，4 105和 4 579這些位置的前方，使得極小值點(diǎn)的位置不準(zhǔn)，無法準(zhǔn)確計(jì)算波長．次峰不僅影響極小值點(diǎn)的位置，也會(huì)對極大值點(diǎn)的位置產(chǎn)生影響．比如，在極小值5 321的后面，應(yīng)該出現(xiàn)一個(gè)極大值、單峰的地方卻出現(xiàn)具有兩個(gè)極大值的雙峰，兩個(gè)極大值的差別很小，無法區(qū)別哪個(gè)是真正的極大值．這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]所提的問題是一脈相承的．聲波多次反射疊加，考慮到損耗，在用駐波法測量波長時(shí)，不僅要測量極大值的位置，還要比較極大值的振幅以排除次峰的干擾．

用相位比較法測量，室溫17.8 ℃，信號(hào)源vPP=11 V，頻率調(diào)到共振頻率40.08 kHz，開始時(shí)，聲波發(fā)射器與聲波接收器之間緊靠，由近及遠(yuǎn)測量，設(shè)置測量點(diǎn)數(shù)目為6 000個(gè)，時(shí)間間隔300 ms，結(jié)果如圖4所示．

圖4 相位比較法聲速測量實(shí)驗(yàn)中相位差

根據(jù)極大值計(jì)算，λ=8.76 mm，因?yàn)閒=40.08 kHz，所以，v=λf=351.1 m/s．

根據(jù)極小值計(jì)算，λ=8.81 mm，因?yàn)閒=40.08 kHz，所以，v=λf=353.1 m/s．對比可知，相位比較法測聲速時(shí)，采用極大值計(jì)算是比較準(zhǔn)確的，結(jié)果與駐波法測聲速利用極大值點(diǎn)計(jì)算的結(jié)果幾乎完全相同，差別僅有千分之一．用極小值計(jì)算的結(jié)果，差別略大．為尋找原因，將駐波法和相位比較法的測量結(jié)果繪制到同一幅圖中，如圖5所示．

圖5 駐波法和相位比較法的測量結(jié)果的比較

對比兩條曲線發(fā)現(xiàn)：相位比較法曲線上的極值點(diǎn)(包括極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，虛線3和4所示)與駐波法曲線上的極大值點(diǎn)近似地一一對應(yīng)；駐波法曲線上的極小值點(diǎn)與相位比較法曲線上峰兩側(cè)的山腰位置近似地一一對應(yīng)(虛線1和2所示)；駐波法測聲速，信號(hào)隨發(fā)射器和接收器之間距離的增加而迅速衰減，相位比較法測聲速，信號(hào)隨著發(fā)射器和接收器之間距離的衰減比較緩慢；駐波法曲線受次峰的影響比較明顯，而相位比較法基本不受次峰的影響．所以，相位比較法測聲速整體要比駐波法測聲速要準(zhǔn)確．

此外，當(dāng)發(fā)射器與接收器距離較大時(shí)，可以利用相位比較法曲線幫助確定駐波法曲線的真正極大值位置．比如，在極小值5 321的后面的雙峰(虛線5所示)，僅憑駐波法是很難確定哪個(gè)是真正的極大值點(diǎn)．但是，如果參考相位比較法曲線，就可以很容易地確定右邊那個(gè)峰值點(diǎn)是真正的極大值點(diǎn)．當(dāng)然，也可以利用駐波法曲線來幫助理解相位比較法曲線，比如，相位比較法曲線在450左右有一個(gè)小肩峰，如虛線1所示，這里本不該出現(xiàn)這個(gè)肩峰的．從駐波法曲線上看到在462處有一個(gè)極小值，其右側(cè)峰位是789的這個(gè)峰形狀與其后1 217，1 638處的峰很不相同，其左側(cè)明顯是受到次峰的影響，所以，對應(yīng)在相位比較法曲線上的該肩峰不能認(rèn)定為極大值點(diǎn)．在相位比較法曲線上出現(xiàn)這個(gè)肩峰應(yīng)該對應(yīng)一種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．重新回到傳統(tǒng)的相位比較法聲速測量實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)射器和接收器之間的距離較小，利用示波器合成利薩如圖形觀察時(shí)，在兩次一三象限直線的位置之間有時(shí)會(huì)觀察到一個(gè)比較小的一三象限直線位置．就是這個(gè)現(xiàn)象與相位比較法曲線上的這個(gè)肩峰對應(yīng)．所以，如果是用傳統(tǒng)的相位比較法測量聲速，這個(gè)位置就不能算．

4 結(jié)語

搭建了全自動(dòng)聲速測量系統(tǒng)，利用有效值檢測模塊將聲壓數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)駐波法聲速測量．利用相位差測量模塊將相位差數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)相位比較法聲速測量．將駐波法和相位比較法的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以更好地發(fā)現(xiàn)并減小次峰的影響，提高聲速的測量精度，增加理解聲速測量問題的角度．