基于LabVIEW的驻波法测量声速的实验模拟

王良甚,武 戈,华中文

(西安建筑科技大学,陕西西安 710055)

基于LabVIEW的驻波法测量声速的实验模拟

王良甚,武 戈,华中文

(西安建筑科技大学,陕西西安 710055)

利用LabVIEW编写的测量声速的实验模拟软件不仅模拟了传统物理实验的操作过程,而且还加入了数据处理模块,实验数据采集完成后即可得出实验数据处理结果,可以用于学生实验前的预习与探究,或者实验教学中的演示。

LabVIEW;声速测量;数据采集;数据处理

LabVIEW是目前应用最广、功能最强大的图形化软件开发环境[1]。用LabVIEW设计的虚拟仪器和实际的硬件仪器具有相似的操作面板。由于其使用简单方便,目前在过程控制、通信、电子设计生产、实验室等领域得到了广泛应用[2-3]。本文中利用其制作的仿真实验,可供学生在计算机上进行声速测量实验仿真操作。

1 驻波法测量空气中声速的原理

实验中,信号源产生频率为f的正弦信号输入换能器S1,S1发出超声波,S2将接收的声压转换为电信号输入到示波器。S2在接收信号的同时反射一部分超声波,由S1发出的超声波和S2反射的超声波在S1、S2间发生干涉[4]。设入射波的方程为

反射波方程为

则两波的合振动方程为

由此可知,当在x=(2n+1的位置上时,声波振幅最小,处于波节,但按声压来说则处于波腹,这时示波器上显示的幅度应该最大。不断变动S2对S1的距离,示波器上就会显示出信号幅度的变化,对应相邻峰的S2的位置间的距离即为利用公式V=fλ即可求出声速。

2 基于LabVIEW的声速测量的仿真设计

LabVIEW程序包括前面板和程序框图两部分。

图1 程序前面板

前面板如图1所示,S1、S2为两个自定义控件,用来模拟发生换能器和接收换能器;其下的波形图相当于示波器,用来显示由S1发出的超声波和S2反射的超声波的合振动形成的声压随S2与S1距离的改变而形成的变化,S2与S1的距离由水平指针滑杆来控制;右下方为原始数据记录和处理部分。

本仿真实验的程序框图分3个模块:程序数据复位模块、动作控制与数据生成模块、数据采集与处理模块。

图2 程序数据复位模块

图2为程序数据复位模块,用来对波峰位置以及数据处理中的分组逐差xi+4-xi等值进行复位清零,以确保程序能够正常运行。

程序的数据采集与处理模块由一个包含多个分支的事件结构构成。如图4所示,在数据采集分支,在每次波形图峰值时记录的S1与S2的距离通过移位寄存器依次保存在波峰位置xi的数组中。在数据处理分支,对数据采集分支得到的波峰位置xi数组进行拆分后进行分组逐差运算,再结合驻波法测量空气中的声速的原理,通过公式节点对数据进行处理即可得到声速测量值、声速理论值以及声速的百分差。

图3 动作控制与数据生成模块

图4 数据采集与处理模块

3 结 论

本文作者创新点在于:以LabVIEW为平台制作的驻波法测量声速的实验具有很高的仿真度,不仅模拟了传统物理实验的操作过程,而且还加入了实验数据处理模块,实验数据采集完成后即可得出实验数据处理结果,可以用于学生实验前的预习与探究,或者实验教学中的演示。

[1]刘锡辉.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.

[2]郑鹤松.基于LabVIEW的物理演示实验[J].江西科学,2007,25(3):302-304.

[3]李文联.虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用[J].实验室研究与探索,2004(1):20-22.

[4]凌亚文.大学物理实验[M].北京:科学出版社,2005.

Simulation of the Experiment of Sound Velocity Measured by Standing Wave Method Based on LabVIEW

WANG Liang-shen,WU Ge,HUA Zhong-wen

(Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055)

The program which simulated the experiment of measuring sound velocity based on Lab-VIEW not only simulates the operation of traditional physics experiment process,but alsOis joined the data processing module.The experimental data processing results can be obtained after the completion of data acquisition immediately.The program can be used for students tOpreview and explore the experiment before dOit,or can be used for demonstration in experimental teaching.

LabVIEW;sound velocity measurement;data acquisition;data processing

TP391.9

A

1007-2934(2011)04-0070-03

2011-01-25