超声波速度测量实验中常见问题及解决方案＊

赵福海，罗浩，向泽英



超声波速度测量实验中常见问题及解决方案＊

赵福海，罗浩，向泽英

（西南科技大学，四川 绵阳 621010）

基于超声波速度测量实验，从驻波法和相位比较法两种测量波长的途径着手，归纳了多种实验中常见问题，分析了其成因，并给出了解决方案，可以供理工科学校师生参考。

声速测量；驻波法；相位比较法；解决方案

超声波速度的测量作为一个经典物理实验，大多数理工科类高校均已开设。声速测量可以检测介质的特性，也可以用来检测介质状态的变化，加上超声波具有波长短、易于定向发射等特点，声速测量被普遍用于测距、测介质浓度和比重、区分油品分层等不同领域。在本科实验中，由于声波包含频率、声速、声压等多个物理量，同时涉及到换能器、信号源、示波器等仪器，各类影响因素和不便预测的状况特别多，导致学生在实际应用时出现诸多困难。

1 实验原理

1.1 驻波法测量波长λ

由声源S1发出的声波，经介质传播到S2，S2在接收声波信号的同时反射部分声波信号。如果接收面S2与发射面S1严格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波与反射波发生干涉形成驻波。反射面处是位移的波节，声压的波腹。改变接收器与发射源之间的距离，在一系列特定的距离上，空气中出现稳定的驻波现象，此时发射端到接收端距离等于半波长的整数倍，驻波的幅度达到极大。同时，在接收面上的声压波腹也相应地达到极大值。

通过压电转换，产生的电信号显示在示波器上的波形的幅值最大。因此，如果保持频率不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面之间的距离，即可得到该波的波长，并用=·计算出声速[1]。

1.2 相位比较法测量波长

声源S1发出声波后，在其周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的，但它和声源振动的位相差Δ不随时间变化。超声波是振动状态的传播，沿传播方向上的任何两点，振动状态相同的两相邻点间的相位差为2π，距离等于波长.由此可采用李萨茹图形的相位比较法测量波长，具体如图1所示。

2 常见问题及解决措施

2.1 正弦波和李萨如图形信号失真

在调节正弦波波形和发射端与反射端超声波叠加的李萨如图形的时候，遇到如图2、图3所示图形失真的情况，对于学生辨别信号极大值和李萨如图形同一相位状态产生了困难，出现这种问题的原因是信号发生器上，正弦电信号的初始状态未调节好[2]。

解决办法：适当调节信号源上的接受增益和连续波强度两个旋钮，如图4所示，直至信号正常为止。要注意的是，在信号不失真的前提下，为使信号更强，这两个旋钮的值应尽量调大一些。

图1 fy∶fx=1∶1时李萨如图形变化规律

2.2 数据周期性不符合理论规律

理论上，采用驻波法测出接收端波形极大值的坐标之间的间隔为半波长，采用相位比较法测出图形相同的状态的坐标间隔为波长。但在实际实验中，经常有学生测出的数据违背了这个原理。其原因在于将发射端和接受端的距离调节得过小或过大，如图5所示。当距离小于一个波长时，由于其他物理效应的产生，导致实验结果出错。当距离过大时，由于仪器自身的误差，比如发射端与接收端端面不平行或者不同轴等误差，致使超声波无法很好地在两端面间发生来回反射叠加而导致数据出错[3]。

解决办法：距离10 mm左右，将接收端向远离发射端的方向测量数据会得到较为理想的实验结果。

图2 失真的正弦波形

图3 失真的李萨如图形

图4 声速测量仪信号源

图5 声速测量仪

2.3 接收端始终无信号或者信号极弱

学生在实验中，按照正确的方法连线并操作示波器，但经常出现接收端始终无信号或者信号极弱的情况，如图6所示。出现这种情况主要有三个原因：①信号频率与超声换能器的固有频率相距太大，致使声波损耗过大，接收端接收到的振动太弱[4]；②由于接收端的初始位置是随机的，由于凑巧接收端恰好处于位移的波腹即声压的波节处，此处声压特别小，即使示波器的增益档调到最大档位，仍然无法得到较大的正弦波信号；③信号源上的初始连续波强度和接收增益取值过小，致使信号太弱[5]。

解决办法：从仪器参数上找到超声换能器的固有频率参考值，将信号源的频率调节到固有频率附近，将连续波强度和接受增益调至最强，之后再开始调节。如果仍然没有解决，则旋转调节手轮，将接收端改变到另外一个位置，再在示波器上调节，基本可解决这类问题。

图6 接收端无信号或者信号极弱

3 结语

声速测量实验主要是让学生学习用驻波法和相位比较法测量超声波的速度，加深对示波器、信号发生器使用知识的掌握，涉及到共振、驻波法、相位比较法等多个主要知识点，实验难点在于综合使用仪器的能力，实验具有趣味性强、实用性强、综合性强等特点。学生在实验中，只有充分理解实验原理、仪器构造，信号传输及变化规律，在实验中积极动脑、专注观察现象、冷静分析问题，才能得到最好的锻炼效果。

［1］周自刚，赵福海.新编大学物理实验［M］.第2版.北京：科学出版社，2012.

［2］陈洁，苏建新.声速测量实验有关问题的研究［J］.物理实验，2008（6）.

［3］孙航宾，黄笃之. 张禹涛声速测量实验假象的探讨［J］.大学物理实验，2018（8）.

［4］宋子午，王茂香. 声速测量实验中反常现象的观察与分析［J］.大学物理，2018（11）.

［5］杨建伟，于轲鑫，郑宇彤，等.声速测量实验中入射波幅值变化的研究［J］.大学物理实验，2018（10）.

罗浩（1979—），西南科技大学物理基础课实验教学示范中心主任，主要从事大学物理实验的管理和教学教改工作。

西南科技大学校级教育教学研究与改革项目（编号：17XN0095）；西南科技大学龙山学术人才科研支持计划“研究专项”（编号：17LZXY18，18LZXY06）

2095－6835（2019）07－0120－02

O422.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.120

〔编辑：王霞〕