超声波专题设计性实验

冯军勤，吴福根，钟会林

（广东工业大学 实验教学部，广东 广州510006）

1 引 言

大学物理实验是工科类专业对学生进行科学实验训练的重要基础，是培养学生科学实验能力和创新精神的重要的实践性课程．大学物理实验课程在内容设置上涵盖力、热、光、电、声、磁等多个学科，但这些实验内容多数为基础性实验，综合性、设计性实验偏少．鉴于这种情况，可以尝试开设专题设计性实验［1］，在现有的实验设备基础之上，开设出新的设计性实验内容，让学生在原有实验基础之上，有所创新．

超声波在日常生活中应用极为广泛，比如超声波测距、无损检测等．而在大学物理实验中，声学实验题目较少，一般大学物理实验声学部分只开设了超声波在空气中的传播速度测定，而这个原理比较简单，操作相对容易，导致实验内容在固定的课时内不饱满［2］；鉴于以上原因，在使用仪器不变的情况下，将超声波实验改造为专题设计性实验［3－4］，在测量超声波在空气中传播速度的基础之上，分别增加了一些不设预案的设计性实验内容，测量超声信号源频率与接收压电换能器接收信号振幅之间的关系，有助于学生理解共振频率的概念；测量超声波在水中的传播速度以及超声波在空气中的损耗系数等实验内容；实验报告的撰写和数据处理要求学生使用Matlab计算机辅助技术完成［5－6］．通过超声波专题设计性实验可以发挥学生的主体意识和主动性［7］，调动和挖掘学生的内在潜力，使得学生主动地学习，积极地参与知识获取的过程，通过自己的主动探索、亲身实践，培养学生的创新意识和能力［8］．

2 测量压电换能器的共振频率

在测量超声波在介质中传播速度时，需要调整超声信号源频率，使得接收压电换能器的接收信号振幅达到最大，这个频率就是压电换能器的固有频率；当超声信号源的频率和压电换能器的固有频率相同时，此时接收信号振幅最大，达到共振，有时也称之为共振频率．但是在实验过程中，部分学生对共振频率理解不透，所以可以增加测量接收压电换能器接收信号振幅和超声信号源频率之间的关系．实验布局如图1所示．

图1 实验装置图

为了精确测量压电换能器接收信号振幅，首先要校准示波器，利用示波器自带的标准方波信号输入到CS－4125型示波器CH2，把“y轴灵敏度”和“时间轴灵敏度”分别调到“0．2 V／div”和“1 ms／div”位置，调节微调旋钮使得方波垂直幅值（Vp－p）占了5 div，水平轴上显示10个完整周期的方波，就可以完成示波器校准．其次，将SV5型声速测量专用信号源的发射S1和SV6声速测量组合仪发射S1利用卡口线连接；SV6声速测量组合仪接收S2与CS－4125型示波器CH2通道连接；调节信号源频率调节旋钮，使得示波器CH2通道接收信号振幅最大．最后，以接收信号振幅最大时信号源频率为中心频率，以10 Hz为步长，分别增大和减小信号源频率可以测得1组频率和接收压电换能器接收信号振幅之间的关系，如图2所示．

图2 接收信号振幅与超声信号源频率之间的关系

通过这部分实验内容，学生可以掌握示波器的校准以及利用示波器测量信号电压幅值，加深理解共振频率的概念．

3 测量超声波在空气中的损耗系数

发射压电换能器被超声信号源的电信号激励后由于逆压电效应发生受迫振动，振动频率与电信号激励频率相同，并向周围空气定向发出一近似平面波．接收压电换能器受迫振动后产生压电效应输出电信号，电信号的频率与超声波的振动频率相同．当发射换能器和接收换能器2个端面互相平行时，超声波和回波在2个端面之间产生干涉，形成驻波．驻波的振幅可以表示为［2］

其中：α超声波在空气介质中的损耗系数，R为接收换能器的反射系数，xi为超声波传播的距离，Ai为反射点回波振幅，A0为超声波发射波振幅，在实验过程中，使用示波器观察和测量振幅，振幅的幅度大小可以用幅度电压来表示．（1）式就可以写为［2］

根据（2）式，首先将SV5型声速测量专用信号源的发射信号输入示波器测量幅度电压U0，测得U0＝3．3 V；采用超声波频率为f1＝37 196 Hz；然后，旋转SV6声速测量组合仪鼓轮改变接收压电换能位置，测量每次振幅最大时的移动距离xi，同时记录最大的振幅值Ui，测到1组幅度电压Ui和传播距离xi的数据，如表1所示；根据最小二乘法就可以得到损耗系数．

表1 幅度电压Ui和传播距离x i的数据

根据最小二乘法就可以得到损耗系数为0．020 60．选择不同超声波频率，将发射器信号输入示波器测量幅度电压U0，测得U0＝3．3 V；改变超声波频率为f2＝37 296 Hz；测到1组幅度电压Ui和传播距离xi的数据．调整发射器输出强度，测得信号输入示波器的幅度电压U0＝5．8 V，取超声波的频率分别为f3＝36 941 Hz，f4＝37 100 Hz，f5＝37 208 Hz，测量多组幅度电压Ui和传播距离xi，根据（2）式，就可以得到ln（Ui／U0）和传播距离xi之间的关系曲线，如图3所示．用最小二乘法处理数据就得到其损耗系数 分 别 为 ：α2＝0．019 05，α3＝0．019 97，α4＝0．019 05，α5＝0．019 98．根据（2）式，可以得到幅度电压Ui和传播距离xi之间的关系曲线，如图4所示．

图3 ln（U i／U 0）和传播距离xi的之间的关系

图4 幅度电压U i和传播距离x i之间的关系

4 测量超声波在水中的传播速度

测量超声波在水中的传播速度，在测量过程中，由于共振干涉法形成的驻波波腹处振幅随着传播距离的变化不是很明显，接收压电换能器的信号由于水的波动而波动，所以采用相位比较法测量在水中的传播速度．温度为t＝25℃，超声信号源频率为37 320 Hz，先将SV5型声速测量专用信号源的发射S1和SV6声速测量组合仪发射S1利用卡口线连接，SV6声速测量组合仪接收S2与CS－4125型示波器CH2通道连接，SV5型声速测量专用信号源的发射波形和示波器CH1通道连接；示波器时间灵敏度旋转到X－Y挡位；旋转SV6声速测量组合仪鼓轮改变接收压电换能位置，根据李萨如图判断2个信号之间的相位差；测量的数据如表2所示．

表2 测量超声波在水中的传播速度的数据

采用逐差法处理数据，可以计算出在水中传播的波长λ＝39．77mm，根据传播速度、频率和

5 结束语

波长之间的关系就可以计算出超声波在水中的传播速度为

在测量超声波在空气中传播速度实验基础之上，开设了超声波专题设计性实验，分别增加了不设预案的实验内容，测量压电换能器的共振频率、超声波在空气中的损耗系数、超声波在水中的传播速度等实验内容；在数据处理方面分别使用了最小二乘法和逐差法；在实验报告撰写方面要求学生利用计算机辅助作图技术完成作图要求，作图软件分别使用了Excel，Matlab，Origin；实验完成以后学生对自己的实验结果做了分析和评估，并分析了误差来源．通过这个实验不仅丰富大学物理声学实验，而且开拓了学生的视野，实验过程中培养了学生勤于思索、勇于实践的科学精神，提高了学生分析问题解决问题的能力．

［1］ 苏学军，张立春，张勇．设计性实验在“大学物理实验”课程中的设置与评价［J］．实验技术与管理，2010，27（5）：137－139．

［2］ 房晓勇．声学实验及部分声学量的测量［J］．物理实验，2001，22（1）：8－10．

［3］ 牛原，赵中龄，腾永平，等．超声波专题实验的设计与教学［J］．大学物理实验，2007，20（3）：43－46．

［4］ 王开圣，赵志敏，刘小廷．声速测量实验原理讨论［J］．物理实验，2010，30（3）：25－28．

［5］ 陈思佳，张文霞，杨启凤，等．线性回归法和 Matlab在复摆测重力加速度实验中的应用［J］．物理实验，2009，29（3）：44－46．

［6］ 蒙成举，苏安．大学物理实验数据处理中引入Matlab的重要性探析［J］．河池学院学报，2009，29（增）：103－105．

［7］ 刘燕，周岚，胡经国．大学物理实验教学改革的探索与实践［J］．实验室研究与探索，2009，28（11）：171－172．

［8］ 张增明，孙腊珍，霍剑青，等．创新研究型物理实验教学平台的建设与实践［J］．物理实验，2009，29（7）：14－17．