利用DSO的REF功能測量超聲波速度

聶 明

(東北石油大學大學物理實驗中心，黑龍江 大慶 163318)

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利用DSO的REF功能測量超聲波速度

聶 明

(東北石油大學大學物理實驗中心，黑龍江 大慶 163318)

超聲波傳播速度的測量，在測距與定位、液體流速測定、彈性模量測量、氣體溫度瞬間變化測量等方面的應用中十分重要。文中給出一種基于接收信號延遲時間的較直觀的聲速測量方法，其中延遲時間的測量是充分利用了數字存儲示波器對信號的多種降噪處理方法，并且利用了數字存儲示波器的參考波形(REF)功能對接收信號進行整體對準實現的。實驗證明這種方法的測量結果相當準確，為聲速的精密測量提供了一種新的思路。這種方法可應用在大學基礎物理實驗或課堂演示教學環節，可使學生對聲速測量的原理和過程有更加直觀的認識。對啟發學生靈活使用及充分發揮儀器的功能都有一定的借鑒作用。

數字存儲示波器；REF；數字濾波；帶寬限制

1 導言

聲波在空氣介質中以縱波傳播。聲波的波長、強度、傳播速度等是聲波的重要性質。而超聲波傳播速度的測量，在測距與定位、液體流速測定、彈性模量測量、氣體溫度瞬間變化測量等方面的應用中具有重要意義。在通常的大學物理實驗課程中，超聲波聲速的測量原理，有的是基于波動理論中的關系式[1-3]：v=f×λ進行的。其中超聲波的頻率f就等于為壓電陶瓷換能器提供超聲頻段激勵的信號源頻率，而波長λ可采用“駐波法(共振干涉法)”“雙蹤相位比較法”“李薩如圖形相位比較法”等方法測量。還有的是利用“時差法[4,5]”測量聲速，即利用公式：v=L/t，其中距離L為發射換能器與接收換能器之間的距離，t為超聲發射波與接收波之間的間隔時間。時差法雖然是超聲波在實際應用中，如測距、液位檢測等的理論基礎，但在學生實驗中時間t的測量是由聲速測定儀自動測量完成的，測定儀顯示屏上只是顯示一個時間值，而且這個時間常會因為距離的變動和接收增益的調節問題不時出現跳變，不容易準確的判定。對于學生而言這相當于一個“黑匣子”實驗，這些都不利于對學生進行實驗操作及分析解決問題等方面的訓練和相關知識的理解。

為此，設計了基于接收信號延遲時間的較直觀的空氣媒質中超聲波聲速測量實驗，其中延遲時間的測量是充分利用了數字存儲示波器對信號的多種降噪手段以及參考波形(REF)整體對準功能完成的，實驗證明測量結果相當準確。此實驗項目可以避免上述“時差法”的諸多問題，同時對訓練學生充分利用數字存儲示波器的強大數據處理及分析功能亦有所裨益。

2 測量原理及脈沖串參數選擇

聲速測量試驗裝置如圖1所示，包括雙通道數字存儲示波器(DS1102E)、具有猝發功能的DDS函數信號發生器(SPF05A)、諧振頻率匹配的一套壓電陶瓷換能器(PZT)、帶有容柵式距離測量數顯表頭的聲速測量支架(SV7)、BNC接口同軸電纜、T形BNC三通等。

眾所周知，在確定的溫度及壓力下，超聲波在組分一定的空氣中以確定的有限的速度傳播。利用函數信號發生器輸出的短脈沖信號(脈沖調制正弦波)作為發射換能器S1的激勵信號，則發射傳感器響應出超聲信號并以一定的速度傳播出去。因接收傳感器S2與發射傳感器有一定的距離L，則接收傳感器的激勵聲壓信號相對發射傳感器輸出的超聲信號有一定的延遲時間t。可以利用距離與延遲時間之間的關系計算出超聲波的傳播速度，測量原理如圖2所示。當測量出L和t后即可由v=L/t計算出聲速。

DDS函數信號發生器的猝發功能模式(Burst)

圖1 聲速測量試驗裝置

圖2 基于延遲時間的聲速測量原理

圖3 猝發輸出時間對接收換能器響應的影響

可以輸出一定周期數的頻率不變的脈沖串信號，作為發射傳感器S1的激勵信號。無論是片狀或管狀PZT，都有一定的共振頻率，在這些頻率附近能量轉換效率較高，所以如圖2(a)所示，T0要調節到與所用的換能器共振頻率f0相匹配，所以信號源在猝發功能模式時對猝發輸出的正弦信號的頻率要調節到f0。當作激勵信號的脈沖串信號的周期個數N不同時，接收換能器探測到的信號幅度有很大的變化，如圖3所示。Upp為一定距離下接收換能器探測到的直達波的峰峰值電壓，可見為了增強探測信號的幅度，猝發輸出的正弦信號持續作用時間愈長愈好，即周期個數N越多越好。而對于相鄰兩個猝發信號的間隔時間T，由圖3可知越長越好，即脈沖信號的重復頻率要低，最短也要保證由前一個激勵脈沖引起的響應衰減完畢之后才可以發射下一個聲脈沖，否則就會前后信號混淆，無法對延遲時間t進行測量。

3 延遲時間的REF測量

簡單的應用v=L/t公式計算聲速并不精確。原因之一，聲程L很難精確測量。在利用超聲換能器進行測試中，超聲波并不是直接進入被測材料的，而是在換能器內部產生超聲波，再通過一定的媒質使超聲波進入測試材料內部。因此，超聲波產生后在介質中傳播的聲程包括換能器內部的聲程和被測材料中的聲程；原因之二，延遲時間t因為很多因素也難以精確測量。延遲時間t本應該是超聲波在待測材料中的傳播時間，但實際上還包括了額外的延遲時間[6]，如電路滯后延時、電纜延時、觸發延時、換能器延時、衍射延時等。額外的延遲時間是極難精確測定的，換能器內部的聲程也是不容易測到的。但是它們中很多項在一個確定的測試裝置中都是固定不變的，所以可以采用數據處理的方法減小這些誤差。設接收換能器在距離坐標為x1時，對應的接收信號時間坐標為t1。而當接收換能器在距離坐標為x2時，對應的接收信號時間坐標為t2。則t2與t1之差就僅僅是由于待測材料中距離的變化x2-x1所帶來的，所以可以利用公式v=(x2-x1)/(t2-t1)來計算測試材料的聲速。

雖然理論上可以利用公式v=(x2-x1)/(t2-t1)對材料中的聲速進行精確測量，但實際還存在問題。由于空氣特性聲阻抗[7]非常小，是超聲波的不良媒質。而換能器表面特性聲阻抗又非常大，導致聲波反射很強而透射很弱，即兩者之間耦合得很差，接收信號因距離增大而衰減很快。在圖4(a)中，信號在工頻干擾之上又混有很多高頻噪聲，在利用了DSO垂直通道中的帶寬限制與高通數字濾波，并且數據獲取方式采用256次平均采樣后，換能器接收信號上的高頻干擾噪聲及工頻50Hz干擾得到較大改善，如圖4(b)所示。

圖4 距離較大時換能器接收的信號波形

圖5 換能器起振過程

由于低頻超聲波在發射和接收過程中存在一個較長時間的起振過程，見圖5。尤其是當距離L較大時，接收信號受環境噪音等干擾的影響就會變得更大，即使經過降噪處理之后，信號仍然不理想，如圖4(b)。即在時延之前和之后接收換能器采集的信號波形沒有明顯的能分辨的特征點，同時接收信號幅度因距離增大而衰減很快，所以要想采用在信號波形上選一個固定參考點或固定振幅閾值的做法來確定信號對應的時間坐標必然會引入較大的人為誤差。顯然由此所帶來的精度損失在短距測量中會更加明顯，因此有必要對接收信號所對應的時間坐標如何精確的測定進行研究。

對于延遲時間的精確測量方法，近年來有不少的研究與分析。例如通過溫差補償[8]、閾值可調、回波包絡[9]等方法來提高超聲系統的精度，由于這些方法對硬件及技術要求較高、并且數據處理量較大等原因而受到限制。雖然接收換能器采集的信號在時延之前和之后的波形上沒有明顯的能分辨的特征，如波前或波峰等，由于是逐漸起振的并且在距離較大時起振點處的一段范圍湮沒在背景噪聲中，找不到一個可以準確參考的固定點位。雖然無法找到一個確切的參考點，但是可以以接收信號的整體作為參考點。雖然在距離較大時信號上混有干擾和噪聲，但其整體的形貌是固定不變的。取接收換能器移動到待測的距離處的探測信號作為參考用波形，此參考波形與接收換能器再次移動到原位置的波形是密切相關的，即信號只有強度的變化，而波型變化甚微，干擾噪聲與信號是無關的。為此，可以采用數字示波器的參考波形(REF)功能，來實現利用接收信號的整體作為測量延遲時間的參考。

圖6 參考波形與被測信號重合的情況

在調節參考波形與被測的接收信號重合的過程中，要充分利用示波器垂直檔位調節功能，交替使用粗調和微調兩種模式來改善波形顯示的幅度，以利于信號細節的觀察，使兩個波形完全重合。利用參考波形測量延遲時間的過程如圖7所示。測量中要適當調節水平掃描速度，測量時間時在參考波形上任選一個固定的位置作為計時參考點即可，因為參考波形是固定的。還要特別注意在每次測量過程中，信號觸發位置相對于視窗中點的水平距離即當前波形窗口的觸發位置不可以移動，見窗口右下角顯示“T→1.152ms”，否則時間測量錯誤。當參考波形與被測信號波形重合時，可通過垂直旋鈕使兩信號上下錯開以利于手動調整光標進行測量。測量數據如表1所示。

為了衡量測量結果的準確度，需與理論聲速進行比較。考慮到環境溫度t和相對濕度r等的影響，空氣中理論聲速計算公式為[10]

v0=331.45

圖7 利用參考波形測量接收信號的時間坐標

次數x1/mmx2/mmL=x2-x1/mmt1/mst2/mst=t2-t1/msv=L/t/(m·s-1)10.00332.61332.610.1441.1000.956347.9220.00259.78259.780.1760.9280.752345.4530.00330.37330.370.1501.0950.945349.6040.00330.00330.000.1561.1030.947348.6550.00340.46340.460.1881.1700.982346.7360.00266.80266.800.1900.9620.772345.69

根據測量數據，并考慮到數顯表頭對距離測量和DS1102E數字存儲示波器對時間測量帶來的B類標準不確定度，以及由于數據的分散性帶來的A類標準不確定度，綜合考慮上述因素，可得到具有可靠性評價指標(測量不確定度)的聲速測量結果：

理論聲速為：v0=348.14m·s-1

4 結語

這里介紹的方法,與測量絕對聲速精度最高的一種方法即脈沖回波重合法[11]有一些相通之處，但又避免了硬件的設計與制作。這種方法直接利用了DSO具有的REF功能，是利用信號的整體來對延遲前后的換能器接收信號的波形整體進行時間定位測量。由于是利用信號的整體進行對準定位，對信號混有的噪聲容限很高，定位準確，延遲時間測量的精度很高，所以聲速測量結果的誤差很小。

在這種聲速測量方法中，并沒有增加對換能器接收的信號進行前置放大環節。其原因，一是在已有的裝置中接收換能器可移動的距離有限，雖然信號較弱且信噪比低，但通過增加示波器垂直通道靈敏度以及采用多種降噪措施之后幅度已經足夠；二是為了演示即使不需增加任何儀器，利用現有的硬件和采用靈活的方法，也可以達到開拓思路擴展實驗的目的。這種方法可應用在大學基礎物理實驗及課堂演示教學環節，可使學生對聲速測量的原理和過程有更加直觀的認識，也可應用于聲波近場區傳播規律的研究等。同時在操作過程中也可以讓學生了解數字存儲示波器具有的一系列信號處理的功能，這對啟發學生如何將現有儀器功能發揮到極致有一定的借鑒作用。

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ULTRASONIC VELOCITYMEASUREMENT BY USING REF FUNCTION OF DSO

Nie Ming

(College Physics Experimental Center, Northeast Petroleum University, Daqing Heilongjiang 163318)

Measuring ultrasonic velocity plays a vital role in ranging and localization, liquid flow-rate measurement, elastic modulus measurement, transient gas temperature change measurement and other applications. A straightforward sound velocity measuring method which is based on delay time in receiving signal is presented in this paper, and measuring delay time is presented by fully using noise reduction treatments of digital storage oscilloscope on signal and taking advantage of REF function of digital storage oscilloscope to achieve integral calibration. The experiment testifies that measurements are fairly accurate and a new thread of thought is provided for accurate sound velocity measurement. This method can be applied in the basic college physics experiment or the demonstration teaching in classroom, which enables students to intuitively understand the principle and process of sound velocity measurement, and has certain references to inspire students’ flexible and full use of the function of instruments.

digital storage oscilloscope; REF; digital filter; bandwidth limit

2016-07-12

聶明，男，講師，主要從事物理實驗教學科研工作,研究方向為磁電與偏振光檢測等，nieming_2008@126.com。

聶明. 利用DSO的REF功能測量超聲波速度[J]. 物理與工程，2017，27(3)：30-35.