劉永智,解立強(qiáng),梁盛德，2

(1.甘肅民族師范學(xué)院 物理與水電工程系，甘肅 合作 747000；2.南京大學(xué) 聲學(xué)研究所 近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

聲速是描述聲波在介質(zhì)中傳播特性的物理量，聲音本質(zhì)上是一種波. 聲速測量實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中綜合性較強(qiáng)的內(nèi)容，聲速測量常用的方法有共振干涉法和相位比較法[1]. 圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，S1是發(fā)射端，由壓電陶瓷超聲換能器向外發(fā)射超聲波，另一只壓電陶瓷超聲換能器S2作為接收端，接收聲音壓強(qiáng)信號(hào)，波速v、波長λ和頻率f之間存在v=λf的關(guān)系，因此可以通過測定聲波的波長λ和頻率f來求得聲速v. 在測量中接收端S2的移動(dòng)和聲波在發(fā)射端S1與接收端S2間多次反射疊加的結(jié)果及聲波在空氣中的衰減、兩換能器界面的反射能量損耗、半波損失不影響測量結(jié)果[2]，而介質(zhì)的特性不同，聲速的大小不同. 針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中測量空氣中的聲速實(shí)驗(yàn)時(shí)，幅度最大值或示波器上相位角不易準(zhǔn)確判斷及空氣的溫度、壓強(qiáng)、濕度特性對(duì)聲速也有影響等問題，設(shè)計(jì)了自動(dòng)測量空氣中聲速值的實(shí)驗(yàn)裝置.

圖1 聲速測量實(shí)驗(yàn)裝置圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

聲波在空氣中傳播時(shí)，聲速v與溫度T、壓強(qiáng)p的關(guān)系[3]為

(1)

其中,pW為相對(duì)濕度與對(duì)應(yīng)溫度飽和蒸氣壓[4]的乘積.

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的空氣中聲速自動(dòng)測量電子裝置結(jié)構(gòu)原理如圖2所示. 選用低功耗STC12C5A60S2為核心處理器、高精度DHT11為數(shù)字溫/濕度傳感器[5]、BMP180為數(shù)字壓力數(shù)據(jù)采集傳感器[6]、液晶顯示器為LCD12864；采用DC5V進(jìn)行供電，而系統(tǒng)主要使用3.3 V電源，故選用ASM1117-3.3 V進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換并提供給BMP180和DHT11元件；選用STC12C5A60S2 處理器為主控制器進(jìn)行系統(tǒng)總體控制，選用BMP180和DHT11傳感器，在STC12C5A60S2 的控制下，傳感器內(nèi)部的測量部分單元進(jìn)行當(dāng)前氣壓、溫度、濕度測量，測量所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并加以修正，修正后的結(jié)果通過I2C數(shù)據(jù)總線和STC12C5A60S2 進(jìn)行通信；然后系統(tǒng)軟件將所得到的壓力p、溫度T和濕度H，經(jīng)式(1)計(jì)算出當(dāng)前聲速值， 并將數(shù)據(jù)顯示在LCD12864液晶顯示器上.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 供電、下載、串口模塊通信

由于需要采用DC5V或充電寶進(jìn)行供電，但BMP180和DHT11的供電電壓一般為3.3 V，故需要AMS1117-3.3 V穩(wěn)壓器進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，將DC5V或充電寶電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V電壓供給BMP180和DHT11設(shè)備. 電源轉(zhuǎn)換硬件基本原理如圖3 所示.

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路

由于軟件系統(tǒng)需要調(diào)試和修改程序，故預(yù)留USB串口通信接口以及和其他設(shè)備進(jìn)行通信，圖4為供電、下載、串口模塊通信中采用CH340芯片做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，STC12C5A60S2 的引腳P3.1為TXD，P3.0為RXD引腳，2 個(gè)引腳分別接入CH340的2和3引腳的TXD和RXD連接即可.

圖4 供電、下載、串口模塊通信

1.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路總圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路總圖如圖5所示. BMP180 壓力傳感器通過I2C總線和STC12C5A60S2 微處理器連接，其連接只需通過SCL 時(shí)鐘線和SDA數(shù)據(jù)線2 根線連接在STC12C5A60S2的2個(gè)引腳P1.0和P1.1即可，DHT11溫度/濕度傳感器通過DATA數(shù)據(jù)線連接在STC12C5A60S2的P3.2引腳; LCD12864液晶顯示器引腳DB0～DB7與STC12C5A60S2微處理器的P0.0～P0.7依次連接；LCD12864液晶顯示器引腳RST與STC12C5A60S2微處理器的引腳P2.3連接；LCD12864液晶顯示器引腳Vout連接10 kΩ滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)LCD12864液晶顯示器的背光，滑動(dòng)端與液晶顯示器的引腳Vo連接；LCD12864液晶顯示器的引腳RS，R/W，E與STC12C5A60S2微處理器的引腳P2.4，P2.5，P2.6分別連接；實(shí)物圖如圖6所示.

圖5 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)總圖

圖6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖

圖7 系統(tǒng)主要流程圖

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要流程如圖7所示.

軟件部分設(shè)計(jì)采用C語言編程，主要包括STC12C5A60S2主控程序部分，LCD12864液晶顯示部分，BMP180和DHT11的I2C數(shù)據(jù)通信部分、空氣中聲速值計(jì)算部分等.

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 使用SW-1實(shí)驗(yàn)裝置測聲速

為了減少測量駐波距離時(shí)的誤差，計(jì)算中采用：

(2)

其中,x0為信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生極大值初位置，xi為信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生極大值末位置，n為駐波個(gè)數(shù). 依據(jù)波速v、波長λ和頻率f之間關(guān)系

v=λf

(3)

計(jì)算聲速值見表1.

表1 駐波法測量聲速的數(shù)據(jù)

2.2 電子裝置測聲速

采用電子裝置測量聲速的測試結(jié)果見表2.

表2 用電子裝置測量聲速的數(shù)據(jù)

2.3 理論計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 由式(1)計(jì)算得到的聲速數(shù)據(jù)

2.4 數(shù)據(jù)分析

由表1～表3可計(jì)算出各測得的速度的相對(duì)偏差，具體見表4，Er1為SWL-1實(shí)驗(yàn)裝置測得的聲速與理論聲速的相對(duì)偏差，Er2為電子裝置實(shí)測聲速值與理論聲速的相對(duì)偏差.

表4 相對(duì)偏差

由表4可知，本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)原理、硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法方面均采取了減小誤差的措施,由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得各組偏差均不超過1%，相比于SW-1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)測聲速處于合理的范圍，可見本系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度. 誤差來源可能包括：溫度/濕度傳感器精確度為相對(duì)濕度±5%、溫度±2 ℃，導(dǎo)致本電子裝置輸出結(jié)果與理論值存在偏差；信號(hào)采集和處理電路存在微小噪聲.

3 結(jié)束語

本裝置與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室測聲速設(shè)備相比，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測量與計(jì)算，可及時(shí)測量，減少了人工干預(yù)；測量結(jié)果誤差小，準(zhǔn)確性高；結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、攜帶方便，可利用充電寶為其提供電源，方便在野外進(jìn)行實(shí)地空氣聲速測量. 該聲速測量實(shí)驗(yàn)裝置可應(yīng)用在大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)及課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，在聲速測量實(shí)驗(yàn)中可提供聲速值驗(yàn)證其他聲速測量實(shí)驗(yàn)設(shè)備所得的聲速數(shù)據(jù)的正確性，本裝置也體現(xiàn)了虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想.