一種測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置

摘 要： 目前測量液體聲速的實驗裝置一般通過搖動手柄轉(zhuǎn)動精密絲桿導軌移動裝置，從而改變超聲波換能器之間的距離，操作過程比較繁瑣，容易產(chǎn)生空程誤差；且采用示波器來觀察信號，連線復雜，操作麻煩，容易出錯；一般只能測室溫下液體聲速。為了克服上述不足，提出一種改進的實驗裝置，可以測量不同溫度下液體聲速。通過直線電機改變換能器之間的距離，可以避免空程誤差，操作過程簡單。該裝置可直接測量并顯示超聲波接收換能器接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號，直觀方便。

關(guān)鍵詞： 聲速； 超聲波換能器； 實驗裝置； 直線電機

中圖分類號： TN011?34； G420 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0141?03

Abstract： Since the current experimental device for measuring the liquid sound velocity generally uses the slideway movement device of precision screw rod shaken by the handle to change the distance between the ultrasonic transducers， it has tedious operational process and is prone to generate idle stroke error. The oscilloscope is used to observe the signal， which has complex wired line and troublesome operation， and is easy to make mistakes. The current experimental device only can measure the liquid sound velocity at room temperature. In order to overcome the above disadvantages， an improved experimental device is put forward， which can measure the liquid sound velocity at different temperatures. The linear motor used to change the distance between the transducers can avoid the idle stroke error， and has simple operational process. The device can directly measure and display the acoustic signal received by the ultrasonic receiving transducer， and then convert the acoustic signal into voltage signal. The device is intuitive and convenient.

Keywords： sound velocity； ultrasonic transducer； experimental device； linear motor

0 引 言

聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機械波，它是縱波，其振動方向與傳播方向一致。振動狀態(tài)的傳播是通過媒質(zhì)各點間的彈性力來實現(xiàn)的，因此波速取決于媒質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)（密度和彈性模量）。液體和固體的彈性模量與密度的比值一般比氣體大，因而其中的聲速也比較大。聲波在媒質(zhì)中的傳播速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)等因素有關(guān)，因而通過媒質(zhì)中聲速的測試，可以了解媒質(zhì)的特性及狀態(tài)變化。例如，測量氯氣、蔗糖等氣體或溶液的濃度、氯丁橡膠乳液的比重以及輸油管中不同油品的分界面等等，這些問題都可以通過測試這些物質(zhì)中的聲速來解決?？梢娐曀贉y試在工業(yè)生產(chǎn)上具有一定的實用意義。

由于在聲波傳播過程中波速波長與頻率之間存在著的關(guān)系，若能同時測出媒質(zhì)中聲波傳播的頻率及波長即可求得此種媒質(zhì)中聲波的傳播速度由于超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點，故在超聲波段進行聲速測試比較方便。同時，由于頻率在超聲波范圍內(nèi)，一般的音頻對它沒有干擾。頻率提高，波長就短，故在不長的距離內(nèi)可測到許多個取其平均值，的測定就較準確。

聲速的測定是物理實驗中一個常見的實驗項目。測量聲速的方法很多，大學物理實驗中一般采用駐波法或相位比較法?，F(xiàn)在的實驗裝置一般采用壓電陶瓷超聲換能器來實現(xiàn)聲壓和電壓的轉(zhuǎn)換，具有平面性、單色性好以及方向性強等特點。通常選用頻率特性大致形同的兩只壓電陶瓷超聲換能器，一只作發(fā)射用，另一只作接收用。壓電換能器有一諧振頻率，當外加信號的頻率等于系統(tǒng)的諧振頻率時，壓電換能器產(chǎn)生機械諧振，這時靈敏度最高。如果把超聲波發(fā)射換能器與超聲波接收換能器“面對面”放置，兩者之間距離是信號源提供正弦交流電信號，激勵超聲波發(fā)射換能器振動，發(fā)出一平面超聲波。超聲波接收換能器把聲波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，同時還反射一部分超聲波。發(fā)射的聲波、反射的聲波振幅雖有差異，但二者周期相同且在同一條直線上沿相反方向傳播，于是二者在兩換能器之間的區(qū)域干涉而形成駐波。為了測試聲波的波長，可以緩慢地改變之間距離，則接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號幅度每一次周期性的變化，都相當于之間距離改變了半個波長。當兩者的距離是半波長的整數(shù)倍時，每個換能器都位于波腹，此時有其中是整數(shù)。通過測量之間的距離，使用逐差法處理測量數(shù)據(jù)，可求出聲波的波長，進而求出聲速。

近年來，人們對聲速測量的實驗進行了深入研究，提出了許多改進方法，比如有對實驗中的聲波及聲壓幅度進行研究的[1?2]，有對實驗內(nèi)容進行研究分析的[3?4]，有對實驗中采用不同介質(zhì)的情況進行研究的[5?7]，有對實驗裝置進行改進設計的[8?9]，有對實驗數(shù)據(jù)進行不確定度分析計算的[10]，也有利用計算機及相關(guān)軟件進行虛擬仿真實驗的[11]。但是目前的實驗裝置仍普遍存在以下不足：

（1） 通過搖動手柄轉(zhuǎn)動精密絲桿導軌移動裝置，從而改變超聲波發(fā)射換能器和超聲波接收換能器之間的距離，容易產(chǎn)生空程誤差，從而影響實驗結(jié)果的準確性。

（2） 采用搖動手柄帶動絲桿導軌移動的裝置，操作過程比較繁瑣，而且實驗教學過程中發(fā)現(xiàn)手柄容易滑絲。

（3） 采用示波器來觀察信號，連線復雜，操作麻煩，容易出錯。

（4） 一般只能測室溫下液體聲速。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本文提出一種測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置。該裝置既可以測量高于室溫又可以測量低于室溫某一溫度下液體聲速。通過直線電機代替絲桿導軌移動裝置來改變超聲波發(fā)射換能器S1和超聲波接收換能器S2之間的距離，可以避免產(chǎn)生空程誤差，不需要反復搖動手柄，因此不會出現(xiàn)滑絲問題，操作過程簡單。不采用示波器，而是直接測量并顯示超聲波接收換能器接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號，直觀方便。

1 裝置結(jié)構(gòu)圖

實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中，采用一個一端封閉的玻璃水槽2，玻璃水槽壁采用雙層結(jié)構(gòu)，中間抽成真空，以起到良好的保溫效果。將待測液體注入玻璃水槽2內(nèi)，高度合適，在水槽內(nèi)液體中靠上部分設置一半導體制冷裝置3，用來冷卻待測液體，靠下部分設置一加熱裝置5，用來加熱待測液體，中間部分設置一溫度傳感器4，用來測量待測液體的溫度，半導體制冷裝置3、加熱裝置5及溫度傳感器4分別通過接口與溫度控制器17相連接。通過溫度設定按鍵23，數(shù)字選擇按鍵18，上調(diào)按鍵19，下調(diào)按鍵20，可以設定待測液體的溫度，并可在溫度顯示屏16上顯示出來。指示燈21用來指示待測液體溫度是否達到設定溫度，未達設定溫度，顯示為紅燈，達到設定溫度，顯示為綠燈。水槽內(nèi)一側(cè)固定一超聲波發(fā)射換能器6，通過接口與測量控制器25相連，由信號源提供正弦波信號，頻率可以通過粗調(diào)旋鈕33及細調(diào)旋鈕34進行調(diào)節(jié)，并可在顯示屏26上顯示出來，信號的幅度可以通過幅度調(diào)節(jié)旋鈕35進行調(diào)節(jié)；另一側(cè)設置一超聲波接收換能器7，一方面通過連接桿8與直線電機9相連，可以在電機的帶動下沿導軌10左右移動，另一方面通過接口27與測量控制器25相連，通過顯示屏36可以將超聲波接收換能器7接收信號電壓的幅度顯示出來。直線電機9安裝在導軌10上，導軌安裝在支架1上，直線電機9通過接口與直線電機驅(qū)動器28相連，直線電機驅(qū)動器通過接口與測量控制器25相連，通過測量控制器25上的向左運動控制按鍵37及向右運動控制按鍵39可以設定電機向左或向右運動，通過測量控制器25上的速度調(diào)節(jié)旋鈕38可以調(diào)節(jié)電機的運動速度。位移傳感器12通過連接桿11與直線電機9相連，用來確定直線電機9及超聲波接收換能器7的位置，位移傳感器12通過接口與測量控制器25相連，通過顯示屏41可以將其位置坐標顯示出來。

2 具體實驗操作過程及測試結(jié)果

2.1 具體實驗操作過程

（1） 通過溫度控制器17上的溫度設定按鍵23，數(shù)字選擇按鍵18，上調(diào)按鍵19，下調(diào)按鍵20，設定待測液體的溫度。直到指示燈8由紅燈變?yōu)榫G燈，即待測液體溫度達到設定值。

（2） 尋找系統(tǒng)的諧振頻率。通過測量控制器25上的信號源幅度調(diào)節(jié)旋鈕35將正弦波信號幅度調(diào)節(jié)合適，通過測量控制器25上的信號源頻率粗調(diào)旋鈕33及信號源頻率細調(diào)旋鈕34進行調(diào)節(jié)，使測量控制器上的超聲波接收換能器接收信號電壓幅度顯示屏36顯示的電壓幅度最大，則此時信號源輸出的正弦波信號的頻率值即為本系統(tǒng)的諧振頻率

（3） 通過測量控制器25上的直線電機速度調(diào)節(jié)旋鈕38將直線電機9速度調(diào)節(jié)合適，通過測量控制器25上的直線電機向左運動控制按鍵37及直線電機向右運動控制按鍵39設定電機向左或向右運動，按下測量啟動按鍵40，則電機帶動超聲波接收換能器7向左或向右運動，同時通過測量控制器25記錄移動過程中超聲波接收換能器7接收信號電壓的幅度，至最大值時停下來，即駐波的波腹位置，并通過測量控制器25上的位移傳感器測量顯示屏41將其位置坐標顯示出來。接下來依次按下測量啟動按鍵，記錄下相應超聲波接收換能器7位于駐波波腹位置的位置坐標，比如一共測12個值，分別

（4）最后用逐差法處理數(shù)據(jù)，代入公式求出由諧振頻率和測出的可以計算聲速即為該溫度下液體聲速的測量值。

2.2 測試結(jié)果

為了驗證本文改進后的實驗裝置的可行性，對其進行了實際測試。待測液體取蒸餾水，溫度設定為20 ℃。利用本文提出的實驗裝置，確定系統(tǒng)的諧振頻率為37 565 Hz，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

最后用逐差法處理數(shù)據(jù)求出39.51 mm，由諧振頻率和測出的求出聲速m/s，與該溫度下蒸餾水中聲速的公認值m/s比較接近。

3 結(jié) 語

本文提出一種測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置。它采用一個玻璃水槽，水槽內(nèi)設置半導體制冷裝置、加熱裝置及溫度傳感器，超聲波接收換能器可由直線電機帶動沿導軌左右移動，位移傳感器與電機相連。該裝置可以測量不同溫度下的液體聲速，通過直線電機來改變超聲波發(fā)射換能器和超聲波接收換能器之間的距離，不會出現(xiàn)滑絲問題，而且可以避免產(chǎn)生空程誤差，直接測量并顯示超聲波接收換能器接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號，可使操作過程簡單方便。

參考文獻

[1] 眭聿文.聲速測量實驗中聲波的研究[J].西華大學學報（自然科學版），2011，30（1）：52?55.

[2] 湯純，蘇建新.聲速測量實驗中聲壓幅度極值的研究[J].汕頭大學學報（自然科學版），2013，28（2）：4?7.

[3] 王山林.關(guān)于聲速測量實驗的研究與設計[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2012，12（1）：45?46.

[4] 孫航賓，黃篤之，張禹濤.聲速測量實驗假象的探討[J].大學物理實驗，2011，24（4）：50?52.

[5] 陳佳琪，李文政，張亞萍，等.固體聲速溫變特性實驗室探究[J].大學物理實驗，2013，26（4）：18?20.

[6] 李向亭，朱蓮根，黃學東.聲音在顆粒物質(zhì)中的傳播特性[J].物理實驗，2012，32（11）：36?37.

[7] 邢鍵，孫晶華.水中聲速的測量[J].物理實驗，2011，31（1）：34?35.

[8] 張俊玲.聲速測量演示實驗的設計與實現(xiàn)[J].實驗科學與技術(shù)，2012，10（4）：14?16.

[9] 朱方璽，曹偉然.聲速測量實驗儀的改進[J].物理實驗，2011，31（10）：40?43.

[10] 徐仰彬.基于最小方差的聲速測量實驗數(shù)據(jù)不確定度分析尺度[J].大學物理實驗，2013，26（3）：6?97.

[11] 唐曦，譚興文，雷衍連，等.基于LabVIEW的聲速測量虛擬實驗系統(tǒng)[J].西南師范大學學報（自然科學版），2014，39（7）：214?217.