超声波声速测量实验的拓展

朱道云，吴 肖，庞 玮，陈 峻，周誉昌

(广东工业大学 实验教学部，广州 510006)

超声波声速测量实验的拓展

朱道云，吴 肖，庞 玮，陈 峻，周誉昌

(广东工业大学 实验教学部，广州 510006)

在超声波声速测量实验的基础上，增加了学生利用示波器测量电压信号幅值及频率的学习。通过拓展内容的训练，加强了学生对示波器使用的练习，巩固了对谐振知识的理解及对信号衰减现象的观察，训练了学生利用软件作图的数据处理能力，丰富了大学物理实验的内容。

超声波；示波器；电压；频率

超声波广泛应用于工业、农业、国防、生物医学和科学研究等各个领域[1-3]，通过对超声波声速的测量，可以进行超声波测距和定位、测量气体温度瞬间变化及探伤等[4-9]。在大学物理实验中，超声波声速测量实验一般是利用共振干涉法和相位比较法测量声速[10-13]，实验过程借助示波器观察驻波和李萨如图形。在教学中发现，学生在实验过程中对示波器的使用不熟练，操作时显得盲目和无措，很多情况下需要教师指导才能调出信号，甚至有时会把教师指导所调出的信号再次调节消失。此外，谐振频率调节这一环节往往会遗漏。示波器的使用尽管是大学物理实验的重要教学内容之一，但学生仅利用对示波器所开设的3个课时的学习很难熟练掌握该仪器的使用与调试，常常在后续的实验中遇到使用示波器的情况下还是无从下手。针对这一教学情况，加强示波器学习训练显得很有必要。超声波声速测量实验就是一个很好的加强学生学习示波器操作的契机，可充分利用该实验的仪器装备及实验过程加强学生对示波器的使用练习。

1 拓展内容

在超声波声速测量实验中，声压信号通过压电陶瓷换能器转换为电压信号，然后在示波器上显示出来。声速测量实验中不需要对电压信号的幅值进行测量，只需观察和记录幅值最大处接收压电陶瓷换能器的位置坐标，且信号的频率是通过信号源读取的，因此，可在原有实验内容基础上增加电压幅值及信号频率的测量。

1.1 示波器的校准

为了精确测量压电陶瓷换能器接收到的信号的幅值，首先需要对示波器进行校准。把示波器(CS-4125)自带的方波校准信号(Vp-p=2V，1kHz)输入到示波器的第一个通道(CH1)，把“y轴灵敏度”和“时间轴灵敏度”分别调到“0.5 V/div”和“1ms/div”位置，调节微调旋钮使得方波垂直幅值(Vp-p)占4个方格，水平轴10个方格内显示10个完整周期的方波，然后把方波校准信号输入到示波器的第二个通道(CH2)，用同样的方法校准示波器的第二个通道，即完成了示波器校准。

1.2 电压信号随距离衰减的测量

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；旋转SV6声速测量组合仪鼓轮改变接收压电陶瓷换能器位置，使示波器CH2通道接收信号出现极大值，然后调节信号源频率调节旋钮，使示波器CH2通道接收信号振幅最大，此时的信号源频率为谐振频率(37kHz附近)。改变接收压电陶瓷换能器位置，每间隔3个振幅最大值记录一次接收压电陶瓷换能器的位置x，同时记录最大的振幅值所占的垂直格数n，利用示波器y轴灵敏度计算对应的电压峰峰值U，得到一组峰峰值电压U和传播距离x的数据，利用Origin软件将这些数据画出如图1所示的关系图。

图1 电压峰峰值U随接收换能器位置x的变化关系图

通过对图1数据的测量与处理，不仅可训练学生对电压信号的多次测量，还可让学生观察接收信号幅值随发射源距离的变化而发生衰减的现象；同时，也了解了非电信号通过传感器转换为电信号的示波器测量，数据分析与处理过程还锻炼了学生利用Origin等软件作图的能力。

1.3 电压信号随频率变化的测量

将SV5型声速测量专用信号源的发射S1与校准过的示波器第一个通道(CH1)利用卡口线连接，示波器的第二个通道(CH2)与SV6声速测量组合仪接收S2连接，示波器双通道模式显示专用信号源的电压信号和压电陶瓷换能器接收到的驻波信号。如前所述，调节专用信号源的频率达到谐振，使示波器第二个通道(CH2)接收到的信号幅值最大。以接收信号振幅最大时信号源频率为中心频率，改变SV5型声速测量专用信号源的频率，观察并记录专用信号源显示的频率f0，测量示波器第二个通道(CH2)显示的电压信号幅值U与频率f，比较f0与f的差别，并利用Origin做出电压U随频率f变化的图，如图2所示。

通过图2数据的测量与分析，可锻炼学生对电压、周期及频率的测量，巩固谐振知识，并把测量的信号频率与信号源显示的频率进行比较，分析误差大小及产生原因。

图2 电压U随频率f变化图

2 结束语

通过拓展超声波声速测量实验内容，加强了学生对示波器使用的训练，加深了学生对实验现象的观察和对知识的理解，提高了动手能力。

[1]魏勤，卫婷，董师润，等.超声波法测量金属材料的杨氏模量和剪切模量[J].江苏科技大学学报：自然科学版,2012,26(1):27-30.

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[13]邹红玉,江影.采用相位法与极大值法测量超声波声速的准确度的研究[J].大学物理,2007,26(5):32-34.

Expansion of the Ultrasonic Sound Velocity Measurement Experiment

ZHU Daoyun, WU Xiao, PANG Wei, CHEN Jun, ZHOU Yuchang

(Department of Experimental Teaching，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

The measurements of voltage amplitude and frequency by oscilloscope were appended to the ultrasonic sound velocity measurement experiment. By expanding the content of the training, oscilloscope exercises were strengthened, the understanding of resonant knowledge was consolidated and signal attenuation was observed. The ability of students to use the software mapping was also trained and the college physics experiment content was enriched.

ultrasonic wave; oscilloscope; voltage: frequency

2014-03-16

广东省高等教育学会实验室管理专业委员会基金项目(GDJ2012059)；广东工业大学教育教学改革项目(2013ZY005)；广东工业大学高教研究基金项目(2011YZ07)。

朱道云(1975-)女，博士，讲师，研究方向：功能材料、大学物理实验教学与管理。

O426；G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.006