聲速測量實驗儀的改進

朱方璽，曹偉然

（臨沂大學理學院，山東臨沂276005）

1 引 言

在駐波法測量聲速實驗[1－4]中，存在一些產生實驗誤差的因素，致使實驗結果偏離客觀實際.駐波法測量聲速的實驗[1－4]原理如圖1所示，由信號發生器發出的信號波，進入到聲速測定儀，測定儀的發射端S1發射的聲波信號經空氣傳播到達前方的接收器S2，在接收面上設置反射裝置，則入射波將被反射回去，在發射面上也裝有反射裝置，故反射波又將被反射回去.如此往返，聲波經多次疊加，將在聲源發生器與接收器之間發生共振干涉現象，形成能量較強的駐波.此駐波的能量通過壓電陶瓷換能器的轉換作用，轉換為電信號，并把此電信號輸入到示波器上顯示信號波形，利用此波形來進行實驗操作.

圖1 實驗原理圖

在實驗中，需要人為辨別輸入示波器的信號的強度是否達到極大，若滿足條件，停止對聲速測定儀的操作并讀出其示數.這個過程比較困難，因為并不知道下一時刻的信號強度與這一時刻的信號強度之間的大小關系，通常情況下，接收端停止移動時會錯過信號強度極大的位置或不能達到信號強度極大的位置.

為此，筆者改進了聲速測量實驗系統，減小了實驗誤差，提高了實驗精度，使實驗結果更精確.

2 改進措施

改進思想是：用系統自動辨別信號強度是否達到記錄實驗數據的實驗條件來代替原實驗中的人為辨別信號強度是否達到記錄實驗數據的實驗條件；用單片機、步進電機等自動控制器件來控制聲速測量儀上接收端的移動[5－6]，使接收端在信號強度滿足記錄實驗數據的實驗條件時，停止移動.為此，首先放大輸入信號，使其強度滿足單片機工作時對信號強度的要求并使系統抵抗外界干擾的能力增強，再整理改變該信號的波形，使其變為大小隨原信號強度進行有規律變化的直流脈動信號；用步進電機控制聲速測量儀用以改變接收器與發射器之間的距離的旋輪的轉動，用單片機辨別經過整理的波的強度并控制步進電機的轉動.其整體示意圖如圖2所示.

圖2 改進系統示意圖

2.1 對原檢測信號的放大

聲速測定實驗儀傳送到示波器的信號強度比較弱，用單片機判別信號強度是否到達記錄實驗數據的實驗條件比較困難，故使用放大電路放大信號強度，使其滿足單片機工作時對信號強度的要求.同時，增強系統的抗外界干擾能力.信號放大電路圖如圖3所示.

圖3 信號放大電路

2.2 積分濾波

步驟2.1滿足了單片機工作時對信號強度的要求.但在進行實驗時，外界的干擾是不可避免的，干擾信號會隨著原信號的放大而被放大，影響本系統的正常工作.故需要濾波積分電路來濾除干擾雜波，用以減小外界干擾對單片機系統正常工作的影響，并對原信號進行積分，使其變為源信號.電路原理圖如圖4所示.

圖4 檢波電路

2.3 單片機判別條件，進行操作

單片機能夠進行判別并比較判斷的信號為數字信號[7]，故需要ADC0804把模擬信號轉換為數字信號，供單片機進行取樣比較.單片機遵循設定好的程序，準確控制步進電機.單片機及其周圍電路原理圖如圖5所示.

圖5 單片機及其周圍控制電路

由于聲速測量實驗儀的輸出信號強度隨S1和S2距離的改變而改變，很難確定放大電路的放大倍數以滿足ADC0804對所轉換信號強度的要求.又知，在等頻信號中最小值之間的距離等于最大值之間的距離.故本系統用單片機判斷信號的最小值代替原實驗中判斷信號的最大值.

2.4 電源電路系統

在上述各部分中，需要參量穩定的電源[8]作為有力后盾.產生穩定電源的電路原理圖如圖6所示.改進后的聲速測量實驗儀如圖7所示.

圖6 電源模塊

圖7 改進后的聲速測量實驗儀

3 實驗數據的比較

用改進后的方法測得的實驗數據如表1所示（f＝39.051kHz，T＝301.5K）.由逐差法可知波的半波長為4.439 68mm，經公式計算可得，聲速v＝346.748m／s.相對于理論值，偏差為0.374%.用改進前的方法測得的實驗數據見表2.實驗條件同表1.

表1 改進后測量數據

表2 改進前測量數據

由逐差法可知波的半波長為4.533 24mm，經公式計算可得，聲速v＝354.055m／s.相對于理論值，偏差為1.725%.

當溫度為T＝301.5K的時候，聲速的理論值為v＝348.05m／s.

用本系統測得的聲速更加符合理論值.研究結果顯示，此改進系統能夠完成預定的目標，減小實驗誤差，提高實驗精度.

4 結束語

改進系統設計精巧，能完成預定的實驗改進目的，減小實驗誤差，提高實驗精度.值得指出的是，本系統不只在本實驗中起到重要作用，它還能夠測出任意符合要求波的傳播速度.

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