基于原有实验的超声波设计性实验

周 珺

(兰州交通大学,甘肃兰州 730070)

基于原有实验的超声波设计性实验

周 珺

(兰州交通大学,甘肃兰州 730070)

利用THSS-1型声速测量仪进行改造,将超声波实验改造为专题设计性实验,测量超声波在液体(任意流体)中的传播速度以及超声波在其中的损耗系数等实验内容[1-7];在数据处理上利用Matlab,Origin计算机辅助技术完成。

超声波;损耗系数;传播速度;Origin软件

怎样在现有的实验设备基础之上,进行改装,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,是所有物理教师的想法.利用THSS-1型声速测量仪进行改造,将超声波实验改造为专题设计性实验,测量超声波在液体(任意流体)中的传播速度以及超声波在其中的损耗系数等实验内容[1-7];在数据处理上利用Matlab,Origin计算机辅助技术完成.通过专题设计性实验既开发了原有仪器,又可以培养学生的创新意识和动手能力。

1 测量超声波在机油(30W)中的损耗

1.1 改造THSS-1型声速测量仪

利用THSS-1型声速测量仪,改装成测量超声波在任意液体中的损耗系数和传播速度的仪器,具体做法:(1)利用玻璃胶密封THSS-1型声速测量仪的换能器接线端,(2)用10 mm厚的亚克力透明塑料板通过玻璃胶粘贴,做一个26 cm (高)×11 cm×24 cm(隔为12 cm+12 cm的两部分,便于放置带液体的THSS-1型声速测量仪)的容器(上开口)。(3)实验时,将THSS-1型声速测量仪鼓轮一端朝上,立放在容器槽里,再添加液体。经实验效果不错。

1.2 原理

发射压电换能器被超声信号源的电信号激励后发生受迫振动,振动频率与电信号激励频率相同,并向周围流体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如下式:

图1 仪器配置图

其中:α超声波在流体介质中的损耗系数,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(与交流毫伏表并联测量更精准),振幅的幅度大小可以用幅度电压来表示。

(1)式就可以写为

ln(Ui/U0)与Xi成线性关系。其斜率就是α超声波在液体介质中的损耗系数。

1.3 步骤

根据(2)式,首先将SG1020S型双路数字合成信号源的正弦波发射信号输入示波器(同时将DA-16D交流毫伏表并接,测量更准。)测量幅度电压U0,测得U0=3.3 V;然后将信号源的正弦波发射信号输入超声波换能器的固定端,采用超声波频率为f=37 196 Hz;超声波换能器的移动端输出到示波器,旋转它的鼓轮改变接收换能器的位置,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。

表1 U0=3.3 V 幅度电压Ui(ln(Ui/U0))和传播距离xi的数据

图2 Ui随Xi变化的衰减图

图3 ln(Ui/U0)与Xi关系图

1.4 数据处理

从图2可知,Ui随Xi变化衰减的很快。利用图3通过最小二乘法线性拟合求得机油的衰减系数α=0.162 2 dB/cm,误差范围:+/-0.009 5 (5.879%)。从图3分析可知,后半段的线性较好,所以利用逐差法求得斜率即衰减系数α =0.209 4 dB/cm.

表2 后半段数据

2 测量超声波在机油(30W)中的传播速度

测量超声波在机油中的传播速度,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机油的波动而波动,所以采用相位比较法测量在机油中的传播速度.温度为t=27℃,超声信号源频率为37 320 Hz,先将SG1020S型双路数字合成信号源的正弦波发射信号输入到YB4320型示波器CH1和固定发射换能器S1(两者并联),移动换能器接收端S2与YB4320型示波器CH2通道连接;示波器时间灵敏度旋转到X-Y挡位;旋转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3 测量超声波在机油(30W)的传播速度的数据

采用逐差法处理数据,可以计算出在机油(30W)中传播的波长λ=2.98 cm,根据传播速度、频率和波长之间的关系就可以计算出超声波在机油(30W)中的传播速度为v测=λf=1 112.13 m/s.(网上查到:超声波在煤油中的传播速度为1 324m/s,因机油(30W)的比重比煤油的小,所以其传播速度也小)

为了验证仪器的可靠性,利用利萨如图形测试了水(27℃)中超声波的传播速度,数据如下表:(f=37 320 Hz)

表4 水中超声波的传播速度

采用逐差法处理数据,可以计算出在水中传播的波长λ=3.91 cm(或λ=2(15.30-5.50)/5= 3.92 cm),根据传播速度、频率和波长之间的关系就可以计算出超声波在机油(30W)中的传播速度为v测=λf=1 459.62m/s(网上查到:25℃时超声波在水中的传播速度1 500 m/s).说明仪器可靠。

3 误差分析

(1)实验过程中由于换能器的移动导致的液体波动,对分子热运动产生影响,引起测量误差。

(2)在测量过程中无法保持恒温,而温度的变化对分子的热运动影响很大,因此对测量数据的也产生较大的影响。

(3)由于THSS-1型声速测量仪本身的尺寸小,只能测量有限的的几个数据,导致线性拟合不够理想。

4 结 论

实验经设计、改造、测量、数据处理(利用电脑作图软件Matlab或Origin)、误差分析等,不仅丰富了大学物理声学实验,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] 刘宁宁等,驻波法测超声波衰减系数[J].大学物理实验,2011(5).

[2] 王寅观.用脉冲法测量超声波的衰减系数[J].实验技术与管理,1987(2).

[3] 郑庆华.声速测量实验的探讨[J].大学物理,2007 (9).

[4] 胡险峰.驻波法测量声速实验的讨论[J].物理实验,2007(1).

[5] 王开圣,等.声速测量实验原理讨论[J].物理实验, 2010(3).

[6] 李艳琴.不同介质中超声波传播速反测量方法比较[J].大学物理实验,2014(2):30-34.

[7] 王斌斌,陈玉林,张超,等.基于时差法的超声波测速向仪设计与实验[J].大学物理实验,2013(4): 21-26.

Based on the Original Experiment of Ultrasonic Design Experiments

ZHOU Jun
(Lanzhou Jiaotong University,Gansu Lanzhou 730070)

It uses THSS-1 type of sound velocitymeasuring instrument,transformed ultrasonic experiments for the project design experiments and measuring the ultrasonic velocity in liquid(any fluid)and ultrasonic wave in the experiment content,such as loss coefficient.On the data processing using Matlab,Origin computer aided technology to complete.

ultrasonic;loss coefficient;propagation speed;Origin software

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.026

1007-2934(2015)06-0086-03

2015-07-04