基于模数转换的声速测量实验改进

蔡亦良 周堂发 胡启明 吕雨晨 项丽华 金思嘉

摘要：传统物理实验教学中，声速测量实验应用广泛，并对学生实验素养的培养作用显著。不过声速的测量实验在实验仪器方面存在一些可改进之处。本文基于数字化、自动化的设计思想，利用模数转换技术和数据处理技术对声速测量装置进行了设计和改进，提高了实验方案的智能化和数字化。

关键词：模数转换;PYTHON;Arduino

研究背景

声速测量实验是大学物理实验中一个基本且重要的综合性实验，考察实验者声学和波动学理论水平、示波器等仪器使用和操作技术、以及数据采集和处理的能力[1]。传统的声速实验采用传播定向性良好的超声波作为研究对象[2]，测量装置主要由信号发生器、声速测量仪和示波器组成。因为超声波良好的传播定向性，信号发生器输出超声波频段的正弦电压信号至声速测量仪，通过压电发射换能器产生声波并由压电接收换能器接收信号输出至示波器，通过示波器观察信号变化（以共振干涉法为例，观察信号振幅变化），并记录相应原始数据即可测出声速。

但传统实验过程中，实验者须通过肉眼判断示波器的波形振幅变化，这可能会引入因人而异的系统、随机误差。而且接收换能器位置的改变需要由实验者手动转动侧边鼓轮实现，这在一定程度上也会让实验者分心，无法全神贯注地观察示波器上接收信号的变化，对实验结果进一步产生影响。

改进思路

因此，本文利用现代测量技术，基于自动化、智能化的设计原则[3]，将仪器进行改进，利用程序对接收换能器输出的电压信号进行分析，自动定位波节点，从而避免因实验人员需目估振幅变化所带来的系统、随机误差。大致设计思路为将压电换能器接收端信号通过模数转换模块转换成数字信号输入至程序，利用程序判断信号振幅变化从而确定共振干涉时产生的波节位置，具体实现方案如下：

（1）信号转换和传输

压电接收换能器内部压电陶瓷片的物理工作原理为压电效应。超声波声速测量实验中，当有周期变化的声压（～38khz）施加在压电换能器上，压电陶瓷片上下表面将会产生对应频率的模拟电压信号。为了能够通过电脑程序对其进行定量分析，采集的信号必须先转换为数字信号。为了能实现超声波频段信号的模数转换，本文采用拥有最高15MSPS采样率的6位模数转换芯片（ADC）CA3306来对信号进行转换。圖1显示的是模数转换电路实物图，图中右侧虚线所圈部分即为输出的6位二进制数字信号，ADC工作所必需的时钟信号将由Arduino所提供（8MHz脉冲信号，由Arduino D9口引出）。

（2）数据采集和处理

因为ADC转换后输出的数字信号格式为6位二进制数据，因此本文设计利用Arduino Uno智能核心的6个模拟信号口（A0～A5）对数据进行接收，并在上传的Arduino代码中从寄存器层面（PINC寄存器）将6位二进制信号编程成十进制数据信号。编译所得的十进制数字电压信号将可以通过USB串口或蓝牙串口协议传送到电脑端。

（3）机械传动部分

考虑到波节点的自动定位除了程序对于信号的分析以外还涉及到接收换能器位置的精准移动。因此本文设计利用受控于程序的42步进电机带动丝杆转动的方式，来实现接收换能器位置的平稳移动。当Python程序检测到数字电压信号振幅的局域极大值时（振幅开始下降），则停止步进电机的运转，使换能器尽可能准确地停在每一个波节点处。

装置实现与实验数据分析

利用3D打印连接件搭建的声速测量仪，该实验仪器主要由两个超声波压电陶瓷换能器、步进电机、滚珠丝杠、数显游标卡尺（包含数码尺与显示屏）和同轴电缆等组成。相较于传统仪器，本仪器在丝杆上增设了步进电机这一传动装置。通过步进电机转动滚珠丝杆从而带动压电接收换能器横向移动。

本文采用传统实验方案与改进后的实验方案进行多次声速测量实验（各3组，实验数据见附件支撑材料）。表1对6组实验测量结果进行了对比。很明显，改进后的实验仪器与方案对应的相对误差最低可达0.2%，平均为0.8%-1%之间，能够满足一般声速实验的要求，也明显小于传统实验方案中所测得的相对误差。若采用8位ADC（还在调试中）并进一步优化数据分析程序，实验精度将会再进一步提升。

总结和展望

声速测量实验是大学物理实验中十分经典的综合性实验，在各个高校具有很高的开设率。但随着示波器、同轴电缆等仪器的老化、声速测量仪本身设计上的缺陷，传统实验方案中不可避免地出现了一些大大小小的问题。而利用本文中改进之后的仪器，在保留学生必要的动手能力的前提下，可实现实验步骤合理的部分自动化、实验数据数字化，提高实验结果的精确度。改进后的仪器与实验方案对于激发学生实验兴趣，提高实验技能，培养同学们的创新思维和探究能力都大有益处。

参考文献

陈庆东.巩晓阳，大学物理实验教程第二版，机械工业出版社，2013.02;

杨玉杰，超声波传播特性及其测试装置研究，中国计量大学，2015.06;

[3]崔发斌，论现代测控技术的发展及其应用，曲阜师范大学信息科学与工程学院，2015.02.123;