声速测量实验仪的改进

朱方玺，曹伟然

（临沂大学理学院，山东临沂276005）

1 引 言

在驻波法测量声速实验[1－4]中，存在一些产生实验误差的因素，致使实验结果偏离客观实际.驻波法测量声速的实验[1－4]原理如图1所示，由信号发生器发出的信号波，进入到声速测定仪，测定仪的发射端S1发射的声波信号经空气传播到达前方的接收器S2，在接收面上设置反射装置，则入射波将被反射回去，在发射面上也装有反射装置，故反射波又将被反射回去.如此往返，声波经多次叠加，将在声源发生器与接收器之间发生共振干涉现象，形成能量较强的驻波.此驻波的能量通过压电陶瓷换能器的转换作用，转换为电信号，并把此电信号输入到示波器上显示信号波形，利用此波形来进行实验操作.

图1 实验原理图

在实验中，需要人为辨别输入示波器的信号的强度是否达到极大，若满足条件，停止对声速测定仪的操作并读出其示数.这个过程比较困难，因为并不知道下一时刻的信号强度与这一时刻的信号强度之间的大小关系，通常情况下，接收端停止移动时会错过信号强度极大的位置或不能达到信号强度极大的位置.

为此，笔者改进了声速测量实验系统，减小了实验误差，提高了实验精度，使实验结果更精确.

2 改进措施

改进思想是：用系统自动辨别信号强度是否达到记录实验数据的实验条件来代替原实验中的人为辨别信号强度是否达到记录实验数据的实验条件；用单片机、步进电机等自动控制器件来控制声速测量仪上接收端的移动[5－6]，使接收端在信号强度满足记录实验数据的实验条件时，停止移动.为此，首先放大输入信号，使其强度满足单片机工作时对信号强度的要求并使系统抵抗外界干扰的能力增强，再整理改变该信号的波形，使其变为大小随原信号强度进行有规律变化的直流脉动信号；用步进电机控制声速测量仪用以改变接收器与发射器之间的距离的旋轮的转动，用单片机辨别经过整理的波的强度并控制步进电机的转动.其整体示意图如图2所示.

图2 改进系统示意图

2.1 对原检测信号的放大

声速测定实验仪传送到示波器的信号强度比较弱，用单片机判别信号强度是否到达记录实验数据的实验条件比较困难，故使用放大电路放大信号强度，使其满足单片机工作时对信号强度的要求.同时，增强系统的抗外界干扰能力.信号放大电路图如图3所示.

图3 信号放大电路

2.2 积分滤波

步骤2.1满足了单片机工作时对信号强度的要求.但在进行实验时，外界的干扰是不可避免的，干扰信号会随着原信号的放大而被放大，影响本系统的正常工作.故需要滤波积分电路来滤除干扰杂波，用以减小外界干扰对单片机系统正常工作的影响，并对原信号进行积分，使其变为源信号.电路原理图如图4所示.

图4 检波电路

2.3 单片机判别条件，进行操作

单片机能够进行判别并比较判断的信号为数字信号[7]，故需要ADC0804把模拟信号转换为数字信号，供单片机进行取样比较.单片机遵循设定好的程序，准确控制步进电机.单片机及其周围电路原理图如图5所示.

图5 单片机及其周围控制电路

由于声速测量实验仪的输出信号强度随S1和S2距离的改变而改变，很难确定放大电路的放大倍数以满足ADC0804对所转换信号强度的要求.又知，在等频信号中最小值之间的距离等于最大值之间的距离.故本系统用单片机判断信号的最小值代替原实验中判断信号的最大值.

2.4 电源电路系统

在上述各部分中，需要参量稳定的电源[8]作为有力后盾.产生稳定电源的电路原理图如图6所示.改进后的声速测量实验仪如图7所示.

图6 电源模块

图7 改进后的声速测量实验仪

3 实验数据的比较

用改进后的方法测得的实验数据如表1所示（f＝39.051kHz，T＝301.5K）.由逐差法可知波的半波长为4.439 68mm，经公式计算可得，声速v＝346.748m／s.相对于理论值，偏差为0.374%.用改进前的方法测得的实验数据见表2.实验条件同表1.

表1 改进后测量数据

表2 改进前测量数据

由逐差法可知波的半波长为4.533 24mm，经公式计算可得，声速v＝354.055m／s.相对于理论值，偏差为1.725%.

当温度为T＝301.5K的时候，声速的理论值为v＝348.05m／s.

用本系统测得的声速更加符合理论值.研究结果显示，此改进系统能够完成预定的目标，减小实验误差，提高实验精度.

4 结束语

改进系统设计精巧，能完成预定的实验改进目的，减小实验误差，提高实验精度.值得指出的是，本系统不只在本实验中起到重要作用，它还能够测出任意符合要求波的传播速度.

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