基于LabVIEW的駐波法測量聲速的實驗?zāi)M

王良甚,武 戈,華中文

(西安建筑科技大學(xué),陜西西安 710055)

基于LabVIEW的駐波法測量聲速的實驗?zāi)M

王良甚,武 戈,華中文

(西安建筑科技大學(xué),陜西西安 710055)

利用LabVIEW編寫的測量聲速的實驗?zāi)M軟件不僅模擬了傳統(tǒng)物理實驗的操作過程,而且還加入了數(shù)據(jù)處理模塊,實驗數(shù)據(jù)采集完成后即可得出實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果,可以用于學(xué)生實驗前的預(yù)習(xí)與探究,或者實驗教學(xué)中的演示。

LabVIEW;聲速測量;數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)處理

LabVIEW是目前應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)大的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境[1]。用LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器和實際的硬件儀器具有相似的操作面板。由于其使用簡單方便,目前在過程控制、通信、電子設(shè)計生產(chǎn)、實驗室等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。本文中利用其制作的仿真實驗,可供學(xué)生在計算機(jī)上進(jìn)行聲速測量實驗仿真操作。

1 駐波法測量空氣中聲速的原理

實驗中,信號源產(chǎn)生頻率為f的正弦信號輸入換能器S1,S1發(fā)出超聲波,S2將接收的聲壓轉(zhuǎn)換為電信號輸入到示波器。S2在接收信號的同時反射一部分超聲波,由S1發(fā)出的超聲波和S2反射的超聲波在S1、S2間發(fā)生干涉[4]。設(shè)入射波的方程為

反射波方程為

則兩波的合振動方程為

由此可知,當(dāng)在x=(2n+1的位置上時,聲波振幅最小,處于波節(jié),但按聲壓來說則處于波腹,這時示波器上顯示的幅度應(yīng)該最大。不斷變動S2對S1的距離,示波器上就會顯示出信號幅度的變化,對應(yīng)相鄰峰的S2的位置間的距離即為利用公式V=fλ即可求出聲速。

2 基于LabVIEW的聲速測量的仿真設(shè)計

LabVIEW程序包括前面板和程序框圖兩部分。

圖1 程序前面板

前面板如圖1所示,S1、S2為兩個自定義控件,用來模擬發(fā)生換能器和接收換能器;其下的波形圖相當(dāng)于示波器,用來顯示由S1發(fā)出的超聲波和S2反射的超聲波的合振動形成的聲壓隨S2與S1距離的改變而形成的變化,S2與S1的距離由水平指針滑桿來控制;右下方為原始數(shù)據(jù)記錄和處理部分。

本仿真實驗的程序框圖分3個模塊:程序數(shù)據(jù)復(fù)位模塊、動作控制與數(shù)據(jù)生成模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊。

圖2 程序數(shù)據(jù)復(fù)位模塊

圖2為程序數(shù)據(jù)復(fù)位模塊,用來對波峰位置以及數(shù)據(jù)處理中的分組逐差xi+4-xi等值進(jìn)行復(fù)位清零,以確保程序能夠正常運行。

程序的數(shù)據(jù)采集與處理模塊由一個包含多個分支的事件結(jié)構(gòu)構(gòu)成。如圖4所示,在數(shù)據(jù)采集分支,在每次波形圖峰值時記錄的S1與S2的距離通過移位寄存器依次保存在波峰位置xi的數(shù)組中。在數(shù)據(jù)處理分支,對數(shù)據(jù)采集分支得到的波峰位置xi數(shù)組進(jìn)行拆分后進(jìn)行分組逐差運算,再結(jié)合駐波法測量空氣中的聲速的原理,通過公式節(jié)點對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到聲速測量值、聲速理論值以及聲速的百分差。

圖3 動作控制與數(shù)據(jù)生成模塊

圖4 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

3 結(jié) 論

本文作者創(chuàng)新點在于:以LabVIEW為平臺制作的駐波法測量聲速的實驗具有很高的仿真度,不僅模擬了傳統(tǒng)物理實驗的操作過程,而且還加入了實驗數(shù)據(jù)處理模塊,實驗數(shù)據(jù)采集完成后即可得出實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果,可以用于學(xué)生實驗前的預(yù)習(xí)與探究,或者實驗教學(xué)中的演示。

[1]劉錫輝.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[2]鄭鶴松.基于LabVIEW的物理演示實驗[J].江西科學(xué),2007,25(3):302-304.

[3]李文聯(lián).虛擬儀器在電子技術(shù)演示實驗中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2004(1):20-22.

[4]凌亞文.大學(xué)物理實驗[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

Simulation of the Experiment of Sound Velocity Measured by Standing Wave Method Based on LabVIEW

WANG Liang-shen,WU Ge,HUA Zhong-wen

(Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055)

The program which simulated the experiment of measuring sound velocity based on Lab-VIEW not only simulates the operation of traditional physics experiment process,but alsOis joined the data processing module.The experimental data processing results can be obtained after the completion of data acquisition immediately.The program can be used for students tOpreview and explore the experiment before dOit,or can be used for demonstration in experimental teaching.

LabVIEW;sound velocity measurement;data acquisition;data processing

TP391.9

A

1007-2934(2011)04-0070-03

2011-01-25