基于模數轉換的聲速測量實驗改進

蔡亦良 周堂發 胡啟明 呂雨晨 項麗華 金思嘉

摘要：傳統物理實驗教學中，聲速測量實驗應用廣泛，并對學生實驗素養的培養作用顯著。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。本文基于數字化、自動化的設計思想，利用模數轉換技術和數據處理技術對聲速測量裝置進行了設計和改進，提高了實驗方案的智能化和數字化。

關鍵詞：模數轉換;PYTHON;Arduino

研究背景

聲速測量實驗是大學物理實驗中一個基本且重要的綜合性實驗，考察實驗者聲學和波動學理論水平、示波器等儀器使用和操作技術、以及數據采集和處理的能力[1]。傳統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，通過壓電發射換能器產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），并記錄相應原始數據即可測出聲速。

但傳統實驗過程中，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、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動側邊鼓輪實現，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，對實驗結果進一步產生影響。

改進思路

因此，本文利用現代測量技術，基于自動化、智能化的設計原則[3]，將儀器進行改進，利用程序對接收換能器輸出的電壓信號進行分析，自動定位波節點，從而避免因實驗人員需目估振幅變化所帶來的系統、隨機誤差。大致設計思路為將壓電換能器接收端信號通過模數轉換模塊轉換成數字信號輸入至程序，利用程序判斷信號振幅變化從而確定共振干涉時產生的波節位置，具體實現方案如下：

（1）信號轉換和傳輸

壓電接收換能器內部壓電陶瓷片的物理工作原理為壓電效應。超聲波聲速測量實驗中，當有周期變化的聲壓（～38khz）施加在壓電換能器上，壓電陶瓷片上下表面將會產生對應頻率的模擬電壓信號。為了能夠通過電腦程序對其進行定量分析，采集的信號必須先轉換為數字信號。為了能實現超聲波頻段信號的模數轉換，本文采用擁有最高15MSPS采樣率的6位模數轉換芯片（ADC）CA3306來對信號進行轉換。圖1顯示的是模數轉換電路實物圖，圖中右側虛線所圈部分即為輸出的6位二進制數字信號，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）數據采集和處理

因為ADC轉換后輸出的數字信號格式為6位二進制數據，因此本文設計利用Arduino Uno智能核心的6個模擬信號口（A0～A5）對數據進行接收，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據信號。編譯所得的十進制數字電壓信號將可以通過USB串口或藍牙串口協議傳送到電腦端。

（3）機械傳動部分

考慮到波節點的自動定位除了程序對于信號的分析以外還涉及到接收換能器位置的精準移動。因此本文設計利用受控于程序的42步進電機帶動絲桿轉動的方式，來實現接收換能器位置的平穩移動。當Python程序檢測到數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，使換能器盡可能準確地停在每一個波節點處。

裝置實現與實驗數據分析

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、數顯游標卡尺（包含數碼尺與顯示屏）和同軸電纜等組成。相較于傳統儀器，本儀器在絲桿上增設了步進電機這一傳動裝置。通過步進電機轉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，實驗數據見附件支撐材料）。表1對6組實驗測量結果進行了對比。很明顯，改進后的實驗儀器與方案對應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，也明顯小于傳統實驗方案中所測得的相對誤差。若采用8位ADC（還在調試中）并進一步優化數據分析程序，實驗精度將會再進一步提升。

總結和展望

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

參考文獻

陳慶東.鞏曉陽，大學物理實驗教程第二版，機械工業出版社，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，2015.06;

[3]崔發斌，論現代測控技術的發展及其應用，曲阜師范大學信息科學與工程學院，2015.02.123;