聲波波速測試儀

馬 沖,雷 航，程永進,郭萬里

(中國地質大學(武漢) a.數理學院;b.機電學院，湖北 武漢 430074)

聲波波速測試儀

馬 沖a,雷 航b，程永進a,郭萬里a

(中國地質大學(武漢) a.數理學院;b.機電學院，湖北 武漢 430074)

設計了聲波波速測量儀，從機械結構和電路設計2個方面介紹了儀器的基本組成，并利用該儀器測量了幾種不同頻率的聲波波長，通過測量結果與理論波長值的比較證明了該波速測試儀的合理性.

波長;波速;駐波

聲波是常見的機械波，在定位、探傷、測距等領域中有著廣泛的應用. 對聲波波長和波速的測量是大學物理實驗的重要內容之一，對于提高學生對波動學概念的理解和掌握具有重要意義[1-3].

由于超聲波具有定向好、波長較短的特點，目前高校物理實驗多集中于對超聲波波段波速的測試[4]，測試儀器結構較為復雜[5]，且自動化程度較低，不利于演示實驗的展示. 而可見聲波波段波長的測量實驗儀器相對較少，因此本研究致力于開發原理明確、機械結構簡單、形象生動、便于向學生演示的聲波測試儀器.

1 聲波波速測試原理

空氣聲波波速的測試方法主要有2種[6]：共振干涉法和相位比較法. 共振干涉法(即駐波法)是空氣中聲速測量的常用方法[7]，由于其原理簡單、形象、直觀且具有良好的靈敏度，因此該方法一直作為大學物理實驗測試波長的儀器中最常用的實驗方法.

共振干涉法聲速測量儀的主要由聲波發射端和聲波反射端兩部分構成.

聲波發射端發出的波動方程為

(1)

式(1)中，A為振幅，x為聲波疊加區域某一點的位置坐標.

聲波在空氣中傳播達到聲波反射端之后，反射波的波動方程為

(2)

發射波和反射波在發射與接收區域內發生干涉，則疊加之后形成的波的波動方程為

(3)

由式(3)可知，在發射波與反射波的疊加空間區域內各點均以頻率ω振動，但是振幅隨著振動點位置的不同而出現周期性差異，振幅取值最大的點稱之為波腹，取值最小的點稱之為波節，波腹和波節在2列波的疊加區域內交替出現，形成了駐波場.

振幅隨空間變化規律為

(4)

式(4)中，S為空間某區域點振動的振幅.

在聲波發射端或接收端安裝聲波接收換能器，改變聲波發射端和接收端的距離，換能器輸出的波形就會交替出現振幅最大和最小值，記錄輸出波形振幅連續2次最大或最小時發射端和接收端改變的距離，即為原聲波波長λ的1/2.

2 聲波測試儀機械結構及電路設計

基于以上駐波法測試聲波波長原理介紹，本設計聲波波長測試儀的示意圖如圖1所示. 聲波信號采集及處理部分電路結構部分如圖2所示.

圖1 新型聲波波長測試儀示意圖

圖2 聲波測試儀電氣連接示意圖

處理器采用單片機飛思卡爾k60，外圍電路主要包括紅外測距模塊、聲波換能器模塊、溫度測量模塊、藍牙傳輸模塊和電機驅動模塊. 實驗過程中，單片機對三路輸入信號進行處理，將溫度、波長等信息顯示于OLED液晶顯示屏上；同時將波的強度變化信號通過藍牙模塊與電腦虛擬示波器進行連接，實時顯示實驗過程中聲波強度的變化情況.

3 聲波測試儀測試過程及結果分析

3.1 測試過程

1)開始實驗時，將可調頻率波源置于靠近玻璃套筒上部管口的某處，并發出某一固定頻率的聲波.

2)啟動電機，帶動聲波反射端活塞以固定速度(測試時設定為5 mm/s)上升至預定位置，改變空氣柱的長度.

3)置于管口上端的聲波換能器(如圖1所示)，檢測空氣柱改變過程中該處聲波強度的變化，轉換為電信號.

4)換能器輸出的信號通過信號處理電路，一路在虛擬示波器上進行顯示，實時顯示實驗過程中聲波強度的變化規律；另一路信號通過軟件編程，將最終實驗結果(波長)顯示在液晶顯示屏上.

3.2 實驗結果

實驗中選取頻率為2，2.5，3，3.5 kHz的聲波信號進行波長的測試，每種頻率信號進行4次測試.

另外，由于實驗溫度為T時，聲速的理論公式為

v=λf.

(5)

實驗結果如表1所示，由表1可以看出，實驗偏差均在5%以下，且隨著測試頻率的增加，測試精度有逐步增加的趨勢.

表1 不同頻率聲波波長理論值與實驗值比較(溫度23 ℃)

續表

4 結束語

該聲波測試儀基于駐波法測試原理，通過機械結構設計和電路設計，實現了測試的自動化. 經過測試，將實驗結果與理論值相比，可以看出所設計的測試儀具有良好的測試精度. 另外由于實驗條件所限，未對低頻和更高頻信號的波進行測試，后續將在機械結構和電路設計、程序方面繼續改進，進一步提高實驗精度和可測聲波頻率范圍.

[1] 房曉勇. 聲學實驗及部分聲學量的測量[J]. 物理實驗,2002,22(1):8-10.

[2] 眭聿文. 聲速測量實驗中聲波的研究[J]. 西華大學學報(自然科學版),2011,30(1):52-55.

[3] 胡險峰. 駐波法測量聲速實驗的討論[J]. 物理實驗，2007，27(1):3-6.

[4] 孫向輝,周國輝,劉金來，等. 關于空氣中聲速測量實驗的討論[J]. 大學物理，2001,20(5):24-28.

[5] 李光仲，劉俊英，王云創，等. 聲速測量實驗裝置擴展應用[J]. 物理實驗,2006,26(2)：35-35.

[6] 李蓉蓉,朱兆青. 對兩種聲速測定方法的剖析[J]. 物理實驗,2002,22(11):42-43.

[7] 劉振飛，童明薇. 大學物理實驗[M]. 重慶：重慶大學出版社，1992：112-114.

[責任編輯：尹冬梅]

Instrument of measuring wave velocity

MA Chonga, LEI Hangb, CHENG Yong-jina, GUO Wan-lia

(a. School of Mathematics and Physics; b. School of Mechanical Engineering and Electronic Information, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

An instrument of measuring wave velocity was designed. The basic components of the instrument, such as the mechanical structure and the circuit design, were introduced. Using the instrument, the wave velocity of several different frequencies was measured. By comparing the measured results with the theoretical value, the rationality of the instrument was proved.

wave length; wave velocity; standing wave

2016-09-28

中國地質大學(武漢)實驗技術研究項目(No.SJ-201625);中國地質大學(武漢)教學研究項目(No.2015A32)

馬 沖(1984-)，山東濱州人，中國地質大學(武漢)數理學院講師，碩士，主要從事大學物理實驗教學及教學儀器研制等相關工作.

O422.1

A

1005-4642(2017)03-0015-03