一个新的测量空气中声速温变系统

冯升同 杨宝林 郭立群 吴 波

(北京石油化工学院工程师学院，北京 102617)

物理实验

一个新的测量空气中声速温变系统

冯升同 杨宝林 郭立群 吴 波

(北京石油化工学院工程师学院，北京 102617)

为了研究空气中声速随温度变化的特性，开发了基于80C196单片机的测量声速的新系统。该系统采用时差法计算声速。利用单片机发射和接收声波，并记录发射和接收的时间差。采用IN4148二极管作为温度传感器，设计了不平衡测温电桥电路。通过在玻璃管身上均匀缠绕电阻丝建立了空气加热模块，可以方便地改变环境温度。编写了基于Visual Basic的计算机与单片机实时通信的软件和制作了操作界面。实验结果表明，该系统能够很精确地测量空气中声速并作出声速随温度变化的特性曲线。该实验已经应用于大学物理实验课堂和电子实训项目。

声速测量；测温电桥；单片机；二极管

声波在各种介质(固体、液体、气体)中的传播速度，是许多科研领域所研究的重要课题。例如天文学、航天学、生物学以及海洋学等等，都与声的传播速度密切相关[1]。通常情况下我们研究的是声速在气体、液体及固体3种介质状态下的传播速度，上述的测量多数都是基于恒温的条件或假定恒温下进行的。但声速是随温度变化的，要精确测量声速，必须研究声波的传播速度随温度变化的特性[2,3]。

测量声速的方法通常有共振干涉、相位比较、时差法等3种[4]。其中时差法即为脉冲法，和其他两种方法相比，最简单直接。设声波的传输距离为l，所用的时间为t，则声速为

(1)

要测量空气中声速随温度变化的特性，必须较好地解决以下几个问题：声波如何发射和接收、采用何种温度传感器、系统温度如何连续改变并保持稳定等。本自制系统中，通过单片机驱动扬声器发出声波，声波出发和被反射片反射后，被单片机接收，从发射到接收的时间差由单片机记录，这样就可以计算出某一温度对应的声速。温度传感器没有采用市场上集成化的温度传感器，而是采用最普通的二极管 IN4148 作为温度传感器。利用二极管作为温度传感器，工业应用上可行，实验成本比较低廉，同时也让学生较好地理解二极管工作的物理原理和伏安特性曲线、温变曲线。另外，系统如何保持稳定性、可靠性以及系统的温度如何连续改变是个非常重要的问题。本系统比较简单而巧妙地解决了这个难题。声波通过一段玻璃管的空气传播，玻璃管身均匀缠绕着电阻丝。用连续可调变压器给电阻丝供电。电阻丝发热后，把热量传递到玻璃管内的空气。因此系统温度可以连续改变，而且不易受到外界影响。本系统是在多年的大学物理实验教学基础上，教师和学生合作，考虑到物理实验教学的特点，精心开发出来的。此系统已经应用于大学物理实验课堂和电子实训工程中。

1 系统原理及组成装置

图1 声速随温度变化测量系统的功能图

系统总体组成装置如图 1 所示。加热系统改变了环境温度后，二极管作为温度传感器，把温度变化转换为电压信号，输送到单片机。单片机采集到温度数据后处理转换，同时驱动扬声器发出声波；出发的声波被麦克风接收，触发高速输入接口，记下第一事件时间，声波继续传播，被反射片反射回来，又被麦克风接收，触发高速输入接口，记下第二事件时间，两者之差即声波传播所用时间，根据玻璃管长度s(l=2*s)计算出该温度对应下的声速。为了实时记录数据和作出声速随温度变化的曲线，还需要保持计算机与单片机实时通信。

2 基于单片机的声波发射和接收

图2 声波的发射和接收电路

单片机采用16位的 80C196，与 C51 单片机相比，最明显的特点是 MCS196 系列单片机具有高速输入、高速输出接口 HSI/O(High Speed Inputs and Outputs) 和自带10位 A/D转换器[5]。HSI用于记录某一外部事件相对于时间基准(如定时器1)的发生时刻。此功能部件在检测到引脚上规定的跳变事件(包括正跳变、负跳变、每次正跳变、8个正跳变)后，将发生事件的类型与时刻记录下来，并产生相关中断。HSI可以在无须CPU干预的情况下，以2μs的分辨率识别从输入引脚输入的事件。HSO则用于按程序规定的时间去触发某一事件(如置位/清零口线、启动A/D转换等)，要求CPU的耗电极小，速度极高。此部件便于实时输出控制，可用来产生多种信号波形。因此用80C196来控制声波的发射和接收非常合适。由于MCS196的部分引脚具有A/D转换功能，因此把电压等模拟量转换为数字量时，不需要外接A/D转换芯片，电路简单稳定。如图2所示，是单片机发射和接收声波的部分电路。单片机通过HSO.0发射矩形声波信号，该信号通过V1、V2两个三极管放大电流后，驱动扬声器SK发声。麦克风MC接收到发出和反射回来的声波信号后，电阻发生变化，导致电路电压发生变化，经过高速运放CA3140所在的放大电路放大，输入到单片机的HSI.0,HSI.0事件触发单片机产生中断读取时间值并计算时间差。

3 测温二极管以及测温电桥电路

二极管在电子电路中大量地用于整流、检波、箝位，但利用二极管正向压降随温度升高而减小的特性制造温度传感器却不十分普遍。而利用二极管特别是普通二极管作热敏元件的传感器是电子传感器中最便宜的一种，它具有较好的线性和很快的响应。根据半导体PN结的温度特性，PN结上的电压随着温度的上升而下降。温度每上升1℃，硅管PN结上的电压下降约2mV，锗管约1.6mV，硅管的热稳定性优于锗管，故硅二极管和三极管可以用作热传感元件[6]。国内已有学者对二极管作为热敏元件在工业上的应用做了大量的验证和推广[7,8]。

图3 测温电桥电路

4 系统加热装置

如何给系统加热并排除外界干扰是测量温度时需要考虑的首要问题。原先在室内通过空调改变室温，但是温度改变不易受到控制，而且很难排除外界干扰。把实验装置放在恒温炉里，温度容易控制，但操作不方便，而且实验成本也很高。本系统采用一段1.2m长、直径为5cm的玻璃管，玻璃管身均匀缠绕加热电阻丝，通过连续改变供电电压来改变玻璃管内的空气温度。玻璃管一端放置扬声器和麦克风，另一端放置高反射率的金属铬片。为了尽可能精确测量温度，测温时用到两个IN4148，将它们分别从玻璃管两端伸入到玻璃管内部中间，离管口大约10cm。每次改变电压之前，都要尽量等到空气分子热运动达到平衡。测量温度时，取两个二极管所测温度的平均值。这样才能确保测量的温度和实际的环境温度基本一致。加热系统如图4所示。

图4 电阻丝加热模块

5 数据处理与研究

就空气介质而言，声波在空气中的传播速度与其自身频率无关，只取决于空气本身的性质。影响声速的主要因素是温度。理论上两者关系为[9]

(2)

式中，v0=331.45m/s，是标准状态下干燥空气中的声速。t0=273.15K，t为测量时空气的摄氏温度。实验室测量到的温度一般在0～100℃之间，为了便于计算，可以对式(2)进行泰勒展开，取前两项[10]，则

v=331.45+0.61(t℃)

(3)

在测量时需要将实际声速值与理论值进行比较。以40℃为例，v测=354.8m/s，而v理=354.88m/s，两者非常接近。

为了实时采集数据，编写了基于Visual Basic的计算机与单片机通信的软件以及制作了人机交互操作界面。点击测试按钮，计算机开始接收单片机发过来的温度数据以及对应的声速。根据这些数据绘制声速随温度变化的曲线。浅色曲线为理论曲线，黑色曲线为实际测量的曲线。先后进行两次实验，第一次缓慢而均匀地增加电源供电电压，等玻璃管内的空气温度接近100℃时，再缓慢而均匀地降低供电电压。第二次快速地增加供电电压，快速地降低供电电压。两次实验测得的声速温变曲线如图5、6所示。升温测量得到的曲线位于理论曲线的上方，降温测量得到的曲线位于理论曲线的下方。可以看到，当供电电压缓慢增加，即空气温度缓慢变化，测量得到的温变曲线与理论曲线非常吻合，而当空气温度剧烈变化，测量得到的温变曲线与理论曲线偏离较远。究其原因，空气是热的不良导体，当玻璃管加热时，要经过较长时间玻璃管内的各个位置温度才能趋于一致，这时二极管测量的温度才能比较接近实际温度。

图5 温度缓慢变化下的声速温变曲线

图6 温度剧烈变化下的声速温变曲线

6 结论

为了研究空气中声速随温度变化的规律，开发了基于80C196单片机的测量声速的实验系统。以IN4148二极管为温度传感器，设计了测温电桥电路。该系统巧妙地制作了一个加热系统，能够方便地改变环境温度。该系统利用时差法，能够比较精确地实时显示声速随温度变化的关系曲线，并与理论曲线相对比。该系统已经应用于电子工程认知和大学物理实验课堂。每学年参加工程认知或实验的学生达到1000人次以上，用于电子工程实习是让各专业的学生都对单片机技术有一定程度的认识；用于物理实验可让学生对声传播特性做深入研究。该项目的开设达到了预期教学目的，学生受益面也很大。

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A NEW SYSTEM OF MEASURING THE VELOCITY OF SOUND WITH RESPECT TO TEMPERATURE IN AIR

Feng Shengtong Yang Baolin Guo Liqun Wu Bo

(Engineering College, Beijing Institute of Petro-chemical Technology, Beijing 102617)

In order to study the characteristic of the velocity of sound with respect to temperature in air, a new system is developed to measure the velocity of sound based on 80C196 microcontroller. The velocity is calculated by time difference method. The acoustic wave is sent and received by microcontroller and simultaneously the time difference is recorded. An unbalanced Voltmeter bridge is designed to measure temperature using IN4148 diode as a temperature sensor. A air-heating unit is constructed to change the environment temperature easily by resistance wire wrapped around the glass tube. The real-time communication software between the computer and microcontroller is completed. And an operation interface is built. The experiment results show that the new system can precisely measure the sound velocity in air and acquire the real-time curve of relationship between sound velocity and temperature. The system is applied to college physical experiment and electronic training project.

acoustic velocity measurement; voltmeter bridge for measuring temperature; microcontroller; diode

2015-11-20；

2016-04-20

该论文受到北京教委面上项目：KM20140017008、校内重点项目编号：ZD2011005以及大学生科研训练项目(2014J00058)的资助。

冯升同，男，实验师，主要从事大学物理实验和电子电工实训教学，fengshengtong@bipt.edu.cn。

吴波，男，教授，北京教学名师，研究方向为机械电子工程，wubo@bipt.edu.cn。

冯升同，杨宝林，郭立群，等. 一个新的测量空气中声速温变系统[J]. 物理与工程，2017，27(1)：50-54.