全自动驻波法声速测量仪设计

石明吉, 宋金璠, 陈兰莉, 罗鹏晖, 刘 斌

(南阳理工学院 电子与电气工程学院, 河南 南阳 473004)

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,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两种:驻波法(也叫共振干涉法)和相位比较法[3]。传统的驻波法需要寻找声波接收器输出电压极大值的位置,在寻点过程中,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[4]。如果声波接收器反向移动,就会存在回程差,所以寻点的效率特别低[5-6]。

为改进驻波法的缺陷,让驻波法成为一种既简单又准确的声速测量方法,研制了一种全自动驻波法声速测量仪。从根本上消除回程差,提高数据采集的效率,实时自动绘出声压变化与接收器位置关系图并自动保存数据和图像。

1 驻波法测量空气中声速的原理

图1为驻波法测量声速实验装置示意图。

图1 驻波法测量声速实验装置示意图

声波发射器S1发出的平面声波经介质后被声波接收器S2接收,若接收面与发射面平行,声波在接收面处就会被垂直反射,于是平面声波在两端面间来回反射、叠加,形成驻波[7]。此时,相邻两波节(或波腹)间的距离等于半个波长[8]。当发生器的激励频率等于驻波系统的固有频率f(压电陶瓷的固有频率)时,会产生驻波共振,形成能量较强的驻波[9]。声波是一种纵波,由纵波的性质可以证明驻波波节处的声压最大。因此,当接收端面处为一波节时,接收到的声压最大,转换成的电信号也最强[10]。测量时,如果移动声波接收器到某个位置时,示波器上出现了最强的信号,需记下该位置并继续移动接收器,再次出现最强的信号时,再记下其位置,则两次信号最强的位置之间的距离即为λ/2。实验时,改变声波发生器和声波接收器之间的距离,可以看到示波器上显示的信号幅度发生周期性的大小变化,即由一个极大变到极小,再变到极大,幅度每一次周期性的变化,就相当于声波发射器和声波接收器之间的距离改变了λ/2,声波发生器和声波接收器之间距离的改变由螺杆位移系统上的读数系统读出。由信号发生器可读出超声源的频率f,即可由v=λf计算出声速v。这种方法就是驻波法[11-12]。

2 整体设计

2.1 硬件设计

本全自动声速测量仪由数据采集系统、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、有效值检测模块、数据采集卡、声波发生器、电源1(给有效值检测模块供电)和电源2(给采集卡供电)组成。声波发射器固定到丝杠导轨的一个固定块上,声波发生器与信号发生器的输出端相连。待测驻波场的媒质是空气。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。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。利用有效值检测模块将声波接收器产生的高频交变电压信号转变为直流电压信号,数据采集卡采集有效值检测模块输出的电压值。由于该电压值与声波接收器所处位置的声压成正比,所以,该电压的变化反映声压的变化。为简单计,可以直接定义该电压对应声压。利用软件进行画图,给出声压变化与接收器位置的关系图,并保存数据和图片。

图2 全自动声速测量仪的结构框图

2.2 软件设计

上位机中安装有利用C语言编写的声速测量软件,该电场测绘软件具体流程图如图3所示。

图3 系统软件流程图

3 实验结果与分析

实验时的温度为15 ℃，谐振频率为39.95 kHz,设定数据的采集周期为300 ms,数据点个数为2 000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。声波发射器固定不动,声波接收器从远处向声波发射器运动。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,二者逐渐靠近。声波接收器输出的电压值随声波接收器位置的变化关系见图4。

图4 声速测量仪软件界面显示的声压随声波接收器位置的变化

将自动声速测量仪生成的Excel数据用Origin软件处理,得到声波接收器输出电压变化与声波接收器位置的关系曲线见图5。与图4比较可知,声速测定软件给出的声波接收器输出电压变化与声波接收器位置的关系曲线与Origin软件处理得到的声波接收器输出电压变化与接收器位置的关系图反映的规律是一样的,只不过,Origin软件给出的声波接收器输出电压变化曲线更平滑,处理更方便一些。

图5 用Origin7.5软件处理测试数据得到的声压与声波接收器位置关系曲线

从图5可见,随着声波接收器逐渐靠近声波发射器,声压信号依次周期性地出现极大值—极小值—极大值……，极大值和极小值的数值逐渐变大；在相邻的极大值之间出现“次极大”(也叫次峰)和“再次极大”(也叫再次峰)；次峰与主峰逐渐靠近,再次峰与主峰逐渐远离。

已知声速在标准大气压下与传播介质空气的温度关系为

vs=331.45+0.59t

将t=15 ℃代入上式后,得到该温度下修正后的声速值为vs=331.45+0.59t=340.30 m/s

4 结语

全自动驻波法声速测量仪利用有效值检测模块实现了声压的数字化,消除了回程误差,声波接收器的运动、数据的采集、存储均实现了自动化,提高了数据采集的效率。上位机实时自动绘出声波接收器输出电压有效值与接收器位置关系曲线，不仅清楚地展示了声压随位置的变化情况,还有利于排除次峰和再次峰法影响。原理简单、成本低廉、容易操作、效果直观,可取代传统的手动声速测量,具有一定的推广价值。

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