全自动相位差法声速测量装置的研制与探讨

石明吉，宋金璠，郭新峰

(南阳理工学院 电子与电气工程学院,河南 南阳 473004)

声波是在弹性媒质中传播的纵波，随着超声学研究的迅速发展，声学检测在实际应用中已越来越广泛，对超声波传播速度的测量在超声波测距、无损检测、定位、测量气体温度瞬间变化等方面具有重大意义[1]. 超声波具有波长短、可定向的优点，因此，常被用作测量声速[2]. 目前，大学物理实验中的声速测量方法主要有2种：驻波法(也叫共振干涉法)和相位比较法[3]. 相位比较法因为准确度高而应用更加普遍，传统的相位比较法声速测量需要寻找李萨如图形为直线的位置，通常的做法是用连接示波器的声波接收器在被测区域内逐处测量，一边移动声波接收器一边观察示波器，当示波器显示一三象限或二四象限直线时，停止移动声波接收器，将该点的位置读数记录下来. 然后重复上述操作，直到找到8～12个目标位置. 在寻点过程中，因为相位差没有数字化，只能用眼睛观察，不容易找准一三象限或二四象限直线的位置. 如果声波接收器反向移动，就会存在回程差，所以寻点效率特别低[4-5]. 为改进相位比较法的缺陷，让相位比较法成为既简单又准确的声速测量方法，笔者研制了全自动相位差声速测量装置. 利用AD8302模块实现了相位差的数字化[6]；利用单片机、步进电机、步进电机驱动器，采集卡和上位机提高了测量的效率和测量的精度，消除了回程差的影响.

1 相位比较法测量空气中声速的原理

按照波动理论，在声波的传播方向上的任何两点，如果振动状态相同或者其相位差是2π的整数倍，这两点间的距离就是波长的整数倍. 实验采用图1所示实验装置. 从声波发射器S1发出的超声波通过空气到达声波接收器S2，在发射波和接收波之间产生相位差为

φ=2πl/λ.

(1)

式中，l是声波发射器与声波接收器之间的距离，λ是波长. 可见，若要使相位差改变2π，那么声波发射器与声波接收器之间的距离l就要相应地改变λ. 沿声波传播方向移动接收器时，总可以找到某位置使得接收到的信号与发射器的激励电信号同相位(相位差是2π的整数倍). 继续移动接收器，直到找到的信号再次与发射器的激励信号同相位时，移过的这段距离就等于声波的波长λ. 由信号发生器可读出频率f，即可算出声速v=λf，这种方法就是相位比较法[7].

图1 相位比较法测量声速装置示意图

2 整体设计

全自动相位差法声速测量装置由数据采集系统、声波接收器移动系统和上位机3部分构成，如图2所示. 数据采集系统由声波接收器、AD8302模块、数据采集卡、待测声波场、电源1(给AD8302模块供电)和电源2(给采集卡和步进电机驱动器供电)组成. 声波发射器固定到丝杠导轨的固定块上，声波发生器与信号发生器的输出端相连. 待测声波场的媒质是空气. 声波接收器移动系统由STC89C52单片机、步进电机驱动器、步进电机、丝杠导轨(加载有声波接收器)和电源2构成. 声波接收器利用接收器支架锁定在丝杠的滑块上. 声波接收器要插入并锁定在接收器支架上，声波接收器端面的法线方向要与丝杠的轴向刚好平行；声波接收器的高度与声波发生器的高度要相同. 将信号发生器产生的激励信号和接收器接收的信号分别接到AD8302模块的INPA和INPB，由AD8302模块的PHASE端输出与两信号相位差成反比的电压信号. 上位机控制系统利用C语言编程，通过步进电机驱动器控制步进电机的转动，利用步进电机带动丝杠导轨运动，从而实现声波接收器的运动；通过数据采集卡获得AD8302输出的电压数据，利用软件画图，给出相位差变化与接收器位置的关系图，并保存数据和图片.

图2 全自动相位差法声速测量装置的结构框图

3 实验结果与分析

实验时温度为15 ℃，谐振频率为38.61 kHz，设定数据的采集周期为300 ms，数据点为4 000个. 利用步进电机驱动器的细分功能，将步进电机的步距角设为0.9°，丝杆的导程为4 mm，因此步进电机每走一步，声波接收器移动0.01 mm. 测试开始前，发射器与接收器之间的距离约为4 cm；测试过程中，二者逐渐远离. 将全自动相位差法声速测量装置生成的Excel数据用Origin软件处理，可得到AD8302输出的电压变化与声波接收器位置的关系，如图3所示.

图3 AD8302输出电压随接收器位置的变化

v=λf=343.63 m/s.

(2)

已知声速在标准大气压下与传播介质空气的温度关系为[8]

vs=331.45+0.59t.

(3)

此外，图3中后3个峰两端出现了伴峰，尤其是第5个峰的两侧，伴峰非常明显.

4 结束语

全自动相位差法声速测量装置利用AD8302模块实现了相位差测量的数字化；利用单片机、步进电机，步进电机驱动器和滚珠丝杠实现了声波接收器运动的自动化；利用上位机和采集卡实现了数据采集的自动化. 在提高测量精度的同时，消除了回程误差，提高了数据采集的效率. 采集实验数据的同时，上位机实时绘出相位差变化与接收器位置关系图. 本装置原理简单、成本低廉、容易操作、效果直观.

[1] 谢春香，张禹涛，黄笃之. 非简谐波对声速测量的影响[J]. 湖南科技大学学报(自然科学版)， 2013，28(1):120-123.

[2] 孙金林，王国余，胡方圆． 数字化智能声速测量系统设计[J]. 传感器与微系统，2015，34(10)：114-117,127．

[3] 杨志云． 驻波法与相位比较法测声速实验探讨[J]. 产业与科技论坛,2011,10(7)：86-87.

[4] 刘石劬． 声速测量及不确定度分析[J]. 大学物理实验， 2013，26(4)：99-103.

[5] 张俊玲． 驻波法测量声速实验的系统误差分析[J]. 大学物理实验，2012，25(5)：81-83.

[6] 花添雨，封维忠，孙成忠. 基于AD8302的相位差法测声速[J]. 物理实验，2017，37(8)：11-13.

[7] 陈兰莉. 大学物理实验[M]. 上海：上海交通大学出版社，2013:245-250.

[8] 张续文,李万金. 计算机辅助测量声速的设计研究[J]. 六盘水师范学院学报,2013,25(2):81-85.