Matlab软件辅助声速测量实验教学

陶苗苗

摘  要：为了在实验教学中更直观地解释声速测量实验的实验原理，本文结合matlab软件仿真实验。本文首先介绍相位比较法的基本原理，然后通过matlab软件实现对实验现象的动态模拟，并分析仿真结果。仿真结果直观、形象，辅助实验教学有很好的效果。

关键词：Matlab软件;声速测量;实验教学

大学物理实验中，声速测量实验普遍采用共振干涉法和相位比较法，这两种方法利用声波的波动特性间接测量声速，实验中利用示波器观察图形的变化情况[1] 。课上讲解实验原理，由于不够直观，学生往往很难理解;如果用仪器演示，虽形象，但是实验时学生照做，又达不到锻炼学生的目的。不能很好地理解实验原理，则达不到实验教学的效果。

利用合适的软件，既可以形象直观地模拟实验项目，又可以加深学生的认识和理解，还可以激发学生的积极性。Matlab有强大的数值计算能力和模拟仿真功能，利用matlab软件演示声速测量实验，可帮助学生更好地理解实验原理。

1 实验原理

如实验装置图1所示，S1处发出的超声波被S2接收并反射，S2处振动相位随时间变化，但是该处相位与S1处的相位差 并不随时间变化。把S1、S2的信号分别接到示波器的X轴、Y轴，形成稳定的李萨如图形。李萨如图形相邻两次倾斜直线的相位变化是 ，对应的换能器间距变化是半个波长。因此测出两个倾斜直线对应的换能器间距L2，可算出声速： 。

2 Matlab仿真实验

在matlab主界面输入guide，弹出GUI设计面板，选择空白页面，输入名称并保存，分别在面板上放置需要的控件。

在图形面板中，单击鼠标右键生成M文件，在该文件中编程。自动生成的主子函数为function varargout= shilie1（varargin），其中varargin为输入的消息参数。程序中，设置入射波、反射波的频率均是1，振幅均是10，波长为100。主要控件的回调函数如下：

①滑动条控件回调函数：

function slider_x_Callback（hObject，eventdata，handles）

set（handles.edit_x，'String'，get（hObject，'Value'））;

x=get（hObject，'Value'）;

f1=str2double（get（handles.edit_tf，'String'））;

f2=str2double（get（handles.edit_if，'String'））;

a1=str2double（get（handles.edit_ta，'String'））;

a2=str2double（get（handles.edit_ia，'String'））;

t=0：0.005：4;

y0=a1*cos（2*pi*f1*t）;

y1=a1*cos（2*pi*f1*t-2*pi*x/100）;

y2=a2*cos（2*pi*f2*t+2*pi*x/100）;

axes（handles.axes_trin）;%图2

plot（t，y1，'r'）;hold on;

plot（t，y2）;hold off;grid on;

axes（handles.axes_lis）;

plot（y0，y2）;grid on;

②自动运行按钮的回调函数：

function auto-button_Callback（hObject，eventdata，handles）

for i=0：100

set（handles.slider_x，'Value'，i）;

slider_x_Callback（handles.slider_x，eventdata，handles）

pause（0.3）;

end

3 结果说明

相位比较法程序运行结果如图6所示，移动滑块从0到50，得到一系列形状不同的李萨如图形。6a、6e是两个相邻的倾斜直线，对应的换能器间距就是半个波长。在界面上，也可以点击自动运行按钮、暂停按钮和继续按钮，观察整个变化过程或者逐步观察现象。还可以改变入射频率、反射频率、入射振幅、反射振幅等参数观察。

4 结论

本文结合matlab软件仿真声速测量实验，可动态实现整个实验过程，形象直观地解释实验原理，便于学生理解实验，也激发学生进一步思考实验思路和实验步骤。对实验教学有很好的辅助作用。

参考文献

[1]董正超，方靖淮，朱兆青，凌邦国.大学物理实验[M].苏州：苏州大学出版社，2011，56-60.

基金项目：本文系江蘇省现代教育技术研究2018年度课题，课题名称：基于雨课堂与虚拟仪器开展数电实验课教学的应用研究，课题编号：2018-R-59685研究成果之一。