蔡亦良 周堂發(fā) 胡啟明 呂雨晨 項麗華 金思嘉

摘要：傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)中，聲速測量實驗應(yīng)用廣泛，并對學(xué)生實驗素養(yǎng)的培養(yǎng)作用顯著。不過聲速的測量實驗在實驗儀器方面存在一些可改進之處。本文基于數(shù)字化、自動化的設(shè)計思想，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)對聲速測量裝置進行了設(shè)計和改進，提高了實驗方案的智能化和數(shù)字化。

關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換;PYTHON;Arduino

研究背景

聲速測量實驗是大學(xué)物理實驗中一個基本且重要的綜合性實驗，考察實驗者聲學(xué)和波動學(xué)理論水平、示波器等儀器使用和操作技術(shù)、以及數(shù)據(jù)采集和處理的能力[1]。傳統(tǒng)的聲速實驗采用傳播定向性良好的超聲波作為研究對象[2]，測量裝置主要由信號發(fā)生器、聲速測量儀和示波器組成。因為超聲波良好的傳播定向性，信號發(fā)生器輸出超聲波頻段的正弦電壓信號至聲速測量儀，通過壓電發(fā)射換能器產(chǎn)生聲波并由壓電接收換能器接收信號輸出至示波器，通過示波器觀察信號變化（以共振干涉法為例，觀察信號振幅變化），并記錄相應(yīng)原始數(shù)據(jù)即可測出聲速。

但傳統(tǒng)實驗過程中，實驗者須通過肉眼判斷示波器的波形振幅變化，這可能會引入因人而異的系統(tǒng)、隨機誤差。而且接收換能器位置的改變需要由實驗者手動轉(zhuǎn)動側(cè)邊鼓輪實現(xiàn)，這在一定程度上也會讓實驗者分心，無法全神貫注地觀察示波器上接收信號的變化，對實驗結(jié)果進一步產(chǎn)生影響。

改進思路

因此，本文利用現(xiàn)代測量技術(shù)，基于自動化、智能化的設(shè)計原則[3]，將儀器進行改進，利用程序?qū)邮論Q能器輸出的電壓信號進行分析，自動定位波節(jié)點，從而避免因?qū)嶒炄藛T需目估振幅變化所帶來的系統(tǒng)、隨機誤差。大致設(shè)計思路為將壓電換能器接收端信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入至程序，利用程序判斷信號振幅變化從而確定共振干涉時產(chǎn)生的波節(jié)位置，具體實現(xiàn)方案如下：

（1）信號轉(zhuǎn)換和傳輸

壓電接收換能器內(nèi)部壓電陶瓷片的物理工作原理為壓電效應(yīng)。超聲波聲速測量實驗中，當(dāng)有周期變化的聲壓（～38khz）施加在壓電換能器上，壓電陶瓷片上下表面將會產(chǎn)生對應(yīng)頻率的模擬電壓信號。為了能夠通過電腦程序?qū)ζ溥M行定量分析，采集的信號必須先轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。為了能實現(xiàn)超聲波頻段信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，本文采用擁有最高15MSPS采樣率的6位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）CA3306來對信號進行轉(zhuǎn)換。圖1顯示的是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實物圖，圖中右側(cè)虛線所圈部分即為輸出的6位二進制數(shù)字信號，ADC工作所必需的時鐘信號將由Arduino所提供（8MHz脈沖信號，由Arduino D9口引出）。

（2）數(shù)據(jù)采集和處理

因為ADC轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字信號格式為6位二進制數(shù)據(jù)，因此本文設(shè)計利用Arduino Uno智能核心的6個模擬信號口（A0～A5）對數(shù)據(jù)進行接收，并在上傳的Arduino代碼中從寄存器層面（PINC寄存器）將6位二進制信號編程成十進制數(shù)據(jù)信號。編譯所得的十進制數(shù)字電壓信號將可以通過USB串口或藍牙串口協(xié)議傳送到電腦端。

（3）機械傳動部分

考慮到波節(jié)點的自動定位除了程序?qū)τ谛盘柕姆治鲆酝膺€涉及到接收換能器位置的精準(zhǔn)移動。因此本文設(shè)計利用受控于程序的42步進電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動的方式，來實現(xiàn)接收換能器位置的平穩(wěn)移動。當(dāng)Python程序檢測到數(shù)字電壓信號振幅的局域極大值時（振幅開始下降），則停止步進電機的運轉(zhuǎn)，使換能器盡可能準(zhǔn)確地停在每一個波節(jié)點處。

裝置實現(xiàn)與實驗數(shù)據(jù)分析

利用3D打印連接件搭建的聲速測量儀，該實驗儀器主要由兩個超聲波壓電陶瓷換能器、步進電機、滾珠絲杠、數(shù)顯游標(biāo)卡尺（包含數(shù)碼尺與顯示屏）和同軸電纜等組成。相較于傳統(tǒng)儀器，本儀器在絲桿上增設(shè)了步進電機這一傳動裝置。通過步進電機轉(zhuǎn)動滾珠絲桿從而帶動壓電接收換能器橫向移動。

本文采用傳統(tǒng)實驗方案與改進后的實驗方案進行多次聲速測量實驗（各3組，實驗數(shù)據(jù)見附件支撐材料）。表1對6組實驗測量結(jié)果進行了對比。很明顯，改進后的實驗儀器與方案對應(yīng)的相對誤差最低可達0.2%，平均為0.8%-1%之間，能夠滿足一般聲速實驗的要求，也明顯小于傳統(tǒng)實驗方案中所測得的相對誤差。若采用8位ADC（還在調(diào)試中）并進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)分析程序，實驗精度將會再進一步提升。

總結(jié)和展望

聲速測量實驗是大學(xué)物理實驗中十分經(jīng)典的綜合性實驗，在各個高校具有很高的開設(shè)率。但隨著示波器、同軸電纜等儀器的老化、聲速測量儀本身設(shè)計上的缺陷，傳統(tǒng)實驗方案中不可避免地出現(xiàn)了一些大大小小的問題。而利用本文中改進之后的儀器，在保留學(xué)生必要的動手能力的前提下，可實現(xiàn)實驗步驟合理的部分自動化、實驗數(shù)據(jù)數(shù)字化，提高實驗結(jié)果的精確度。改進后的儀器與實驗方案對于激發(fā)學(xué)生實驗興趣，提高實驗技能，培養(yǎng)同學(xué)們的創(chuàng)新思維和探究能力都大有益處。

參考文獻

陳慶東.鞏曉陽，大學(xué)物理實驗教程第二版，機械工業(yè)出版社，2013.02;

楊玉杰，超聲波傳播特性及其測試裝置研究，中國計量大學(xué)，2015.06;

[3]崔發(fā)斌，論現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用，曲阜師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，2015.02.123;