声波波速测试仪

马 冲,雷 航，程永进,郭万里

(中国地质大学(武汉) a.数理学院;b.机电学院，湖北 武汉 430074)

声波波速测试仪

马 冲a,雷 航b，程永进a,郭万里a

(中国地质大学(武汉) a.数理学院;b.机电学院，湖北 武汉 430074)

设计了声波波速测量仪，从机械结构和电路设计2个方面介绍了仪器的基本组成，并利用该仪器测量了几种不同频率的声波波长，通过测量结果与理论波长值的比较证明了该波速测试仪的合理性.

波长;波速;驻波

声波是常见的机械波，在定位、探伤、测距等领域中有着广泛的应用. 对声波波长和波速的测量是大学物理实验的重要内容之一，对于提高学生对波动学概念的理解和掌握具有重要意义[1-3].

由于超声波具有定向好、波长较短的特点，目前高校物理实验多集中于对超声波波段波速的测试[4]，测试仪器结构较为复杂[5]，且自动化程度较低，不利于演示实验的展示. 而可见声波波段波长的测量实验仪器相对较少，因此本研究致力于开发原理明确、机械结构简单、形象生动、便于向学生演示的声波测试仪器.

1 声波波速测试原理

空气声波波速的测试方法主要有2种[6]：共振干涉法和相位比较法. 共振干涉法(即驻波法)是空气中声速测量的常用方法[7]，由于其原理简单、形象、直观且具有良好的灵敏度，因此该方法一直作为大学物理实验测试波长的仪器中最常用的实验方法.

共振干涉法声速测量仪的主要由声波发射端和声波反射端两部分构成.

声波发射端发出的波动方程为

(1)

式(1)中，A为振幅，x为声波叠加区域某一点的位置坐标.

声波在空气中传播达到声波反射端之后，反射波的波动方程为

(2)

发射波和反射波在发射与接收区域内发生干涉，则叠加之后形成的波的波动方程为

(3)

由式(3)可知，在发射波与反射波的叠加空间区域内各点均以频率ω振动，但是振幅随着振动点位置的不同而出现周期性差异，振幅取值最大的点称之为波腹，取值最小的点称之为波节，波腹和波节在2列波的叠加区域内交替出现，形成了驻波场.

振幅随空间变化规律为

(4)

式(4)中，S为空间某区域点振动的振幅.

在声波发射端或接收端安装声波接收换能器，改变声波发射端和接收端的距离，换能器输出的波形就会交替出现振幅最大和最小值，记录输出波形振幅连续2次最大或最小时发射端和接收端改变的距离，即为原声波波长λ的1/2.

2 声波测试仪机械结构及电路设计

基于以上驻波法测试声波波长原理介绍，本设计声波波长测试仪的示意图如图1所示. 声波信号采集及处理部分电路结构部分如图2所示.

图1 新型声波波长测试仪示意图

图2 声波测试仪电气连接示意图

处理器采用单片机飞思卡尔k60，外围电路主要包括红外测距模块、声波换能器模块、温度测量模块、蓝牙传输模块和电机驱动模块. 实验过程中，单片机对三路输入信号进行处理，将温度、波长等信息显示于OLED液晶显示屏上；同时将波的强度变化信号通过蓝牙模块与电脑虚拟示波器进行连接，实时显示实验过程中声波强度的变化情况.

3 声波测试仪测试过程及结果分析

3.1 测试过程

1)开始实验时，将可调频率波源置于靠近玻璃套筒上部管口的某处，并发出某一固定频率的声波.

2)启动电机，带动声波反射端活塞以固定速度(测试时设定为5 mm/s)上升至预定位置，改变空气柱的长度.

3)置于管口上端的声波换能器(如图1所示)，检测空气柱改变过程中该处声波强度的变化，转换为电信号.

4)换能器输出的信号通过信号处理电路，一路在虚拟示波器上进行显示，实时显示实验过程中声波强度的变化规律；另一路信号通过软件编程，将最终实验结果(波长)显示在液晶显示屏上.

3.2 实验结果

实验中选取频率为2，2.5，3，3.5 kHz的声波信号进行波长的测试，每种频率信号进行4次测试.

另外，由于实验温度为T时，声速的理论公式为

v=λf.

(5)

实验结果如表1所示，由表1可以看出，实验偏差均在5%以下，且随着测试频率的增加，测试精度有逐步增加的趋势.

表1 不同频率声波波长理论值与实验值比较(温度23 ℃)

续表

4 结束语

该声波测试仪基于驻波法测试原理，通过机械结构设计和电路设计，实现了测试的自动化. 经过测试，将实验结果与理论值相比，可以看出所设计的测试仪具有良好的测试精度. 另外由于实验条件所限，未对低频和更高频信号的波进行测试，后续将在机械结构和电路设计、程序方面继续改进，进一步提高实验精度和可测声波频率范围.

[1] 房晓勇. 声学实验及部分声学量的测量[J]. 物理实验,2002,22(1):8-10.

[2] 眭聿文. 声速测量实验中声波的研究[J]. 西华大学学报(自然科学版),2011,30(1):52-55.

[3] 胡险峰. 驻波法测量声速实验的讨论[J]. 物理实验，2007，27(1):3-6.

[4] 孙向辉,周国辉,刘金来，等. 关于空气中声速测量实验的讨论[J]. 大学物理，2001,20(5):24-28.

[5] 李光仲，刘俊英，王云创，等. 声速测量实验装置扩展应用[J]. 物理实验,2006,26(2)：35-35.

[6] 李蓉蓉,朱兆青. 对两种声速测定方法的剖析[J]. 物理实验,2002,22(11):42-43.

[7] 刘振飞，童明薇. 大学物理实验[M]. 重庆：重庆大学出版社，1992：112-114.

[责任编辑：尹冬梅]

Instrument of measuring wave velocity

MA Chonga, LEI Hangb, CHENG Yong-jina, GUO Wan-lia

(a. School of Mathematics and Physics; b. School of Mechanical Engineering and Electronic Information, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

An instrument of measuring wave velocity was designed. The basic components of the instrument, such as the mechanical structure and the circuit design, were introduced. Using the instrument, the wave velocity of several different frequencies was measured. By comparing the measured results with the theoretical value, the rationality of the instrument was proved.

wave length; wave velocity; standing wave

2016-09-28

中国地质大学(武汉)实验技术研究项目(No.SJ-201625);中国地质大学(武汉)教学研究项目(No.2015A32)

马 冲(1984-)，山东滨州人，中国地质大学(武汉)数理学院讲师，硕士，主要从事大学物理实验教学及教学仪器研制等相关工作.

O422.1

A

1005-4642(2017)03-0015-03