超聲波聲速測量實(shí)驗(yàn)的拓展

朱道云，吳 肖，龐 瑋，陳 峻，周譽(yù)昌

(廣東工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣州 510006)

超聲波聲速測量實(shí)驗(yàn)的拓展

朱道云，吳 肖，龐 瑋，陳 峻，周譽(yù)昌

(廣東工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣州 510006)

在超聲波聲速測量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加了學(xué)生利用示波器測量電壓信號(hào)幅值及頻率的學(xué)習(xí)。通過拓展內(nèi)容的訓(xùn)練，加強(qiáng)了學(xué)生對示波器使用的練習(xí)，鞏固了對諧振知識(shí)的理解及對信號(hào)衰減現(xiàn)象的觀察，訓(xùn)練了學(xué)生利用軟件作圖的數(shù)據(jù)處理能力，豐富了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

超聲波；示波器；電壓；頻率

超聲波廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]，通過對超聲波聲速的測量，可以進(jìn)行超聲波測距和定位、測量氣體溫度瞬間變化及探傷等[4-9]。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，超聲波聲速測量實(shí)驗(yàn)一般是利用共振干涉法和相位比較法測量聲速[10-13]，實(shí)驗(yàn)過程借助示波器觀察駐波和李薩如圖形。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對示波器的使用不熟練，操作時(shí)顯得盲目和無措，很多情況下需要教師指導(dǎo)才能調(diào)出信號(hào)，甚至有時(shí)會(huì)把教師指導(dǎo)所調(diào)出的信號(hào)再次調(diào)節(jié)消失。此外，諧振頻率調(diào)節(jié)這一環(huán)節(jié)往往會(huì)遺漏。示波器的使用盡管是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要教學(xué)內(nèi)容之一，但學(xué)生僅利用對示波器所開設(shè)的3個(gè)課時(shí)的學(xué)習(xí)很難熟練掌握該儀器的使用與調(diào)試，常常在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中遇到使用示波器的情況下還是無從下手。針對這一教學(xué)情況，加強(qiáng)示波器學(xué)習(xí)訓(xùn)練顯得很有必要。超聲波聲速測量實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)很好的加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)示波器操作的契機(jī)，可充分利用該實(shí)驗(yàn)的儀器裝備及實(shí)驗(yàn)過程加強(qiáng)學(xué)生對示波器的使用練習(xí)。

1 拓展內(nèi)容

在超聲波聲速測量實(shí)驗(yàn)中，聲壓信號(hào)通過壓電陶瓷換能器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后在示波器上顯示出來。聲速測量實(shí)驗(yàn)中不需要對電壓信號(hào)的幅值進(jìn)行測量，只需觀察和記錄幅值最大處接收壓電陶瓷換能器的位置坐標(biāo)，且信號(hào)的頻率是通過信號(hào)源讀取的，因此，可在原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上增加電壓幅值及信號(hào)頻率的測量。

1.1 示波器的校準(zhǔn)

為了精確測量壓電陶瓷換能器接收到的信號(hào)的幅值，首先需要對示波器進(jìn)行校準(zhǔn)。把示波器(CS-4125)自帶的方波校準(zhǔn)信號(hào)(Vp-p=2V，1kHz)輸入到示波器的第一個(gè)通道(CH1)，把“y軸靈敏度”和“時(shí)間軸靈敏度”分別調(diào)到“0.5 V/div”和“1ms/div”位置，調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕使得方波垂直幅值(Vp-p)占4個(gè)方格，水平軸10個(gè)方格內(nèi)顯示10個(gè)完整周期的方波，然后把方波校準(zhǔn)信號(hào)輸入到示波器的第二個(gè)通道(CH2)，用同樣的方法校準(zhǔn)示波器的第二個(gè)通道，即完成了示波器校準(zhǔn)。

1.2 電壓信號(hào)隨距離衰減的測量

將SV5型聲速測量專用信號(hào)源的發(fā)射S1和SV6聲速測量組合儀發(fā)射S1利用卡口線連接；SV6聲速測量組合儀接收S2與CS-4125型示波器CH2通道連接；旋轉(zhuǎn)SV6聲速測量組合儀鼓輪改變接收壓電陶瓷換能器位置，使示波器CH2通道接收信號(hào)出現(xiàn)極大值，然后調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率調(diào)節(jié)旋鈕，使示波器CH2通道接收信號(hào)振幅最大，此時(shí)的信號(hào)源頻率為諧振頻率(37kHz附近)。改變接收壓電陶瓷換能器位置，每間隔3個(gè)振幅最大值記錄一次接收壓電陶瓷換能器的位置x，同時(shí)記錄最大的振幅值所占的垂直格數(shù)n，利用示波器y軸靈敏度計(jì)算對應(yīng)的電壓峰峰值U，得到一組峰峰值電壓U和傳播距離x的數(shù)據(jù)，利用Origin軟件將這些數(shù)據(jù)畫出如圖1所示的關(guān)系圖。

圖1 電壓峰峰值U隨接收換能器位置x的變化關(guān)系圖

通過對圖1數(shù)據(jù)的測量與處理，不僅可訓(xùn)練學(xué)生對電壓信號(hào)的多次測量，還可讓學(xué)生觀察接收信號(hào)幅值隨發(fā)射源距離的變化而發(fā)生衰減的現(xiàn)象；同時(shí)，也了解了非電信號(hào)通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的示波器測量，數(shù)據(jù)分析與處理過程還鍛煉了學(xué)生利用Origin等軟件作圖的能力。

1.3 電壓信號(hào)隨頻率變化的測量

將SV5型聲速測量專用信號(hào)源的發(fā)射S1與校準(zhǔn)過的示波器第一個(gè)通道(CH1)利用卡口線連接，示波器的第二個(gè)通道(CH2)與SV6聲速測量組合儀接收S2連接，示波器雙通道模式顯示專用信號(hào)源的電壓信號(hào)和壓電陶瓷換能器接收到的駐波信號(hào)。如前所述，調(diào)節(jié)專用信號(hào)源的頻率達(dá)到諧振，使示波器第二個(gè)通道(CH2)接收到的信號(hào)幅值最大。以接收信號(hào)振幅最大時(shí)信號(hào)源頻率為中心頻率，改變SV5型聲速測量專用信號(hào)源的頻率，觀察并記錄專用信號(hào)源顯示的頻率f0，測量示波器第二個(gè)通道(CH2)顯示的電壓信號(hào)幅值U與頻率f，比較f0與f的差別，并利用Origin做出電壓U隨頻率f變化的圖，如圖2所示。

通過圖2數(shù)據(jù)的測量與分析，可鍛煉學(xué)生對電壓、周期及頻率的測量，鞏固諧振知識(shí)，并把測量的信號(hào)頻率與信號(hào)源顯示的頻率進(jìn)行比較，分析誤差大小及產(chǎn)生原因。

圖2 電壓U隨頻率f變化圖

2 結(jié)束語

通過拓展超聲波聲速測量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加強(qiáng)了學(xué)生對示波器使用的訓(xùn)練，加深了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和對知識(shí)的理解，提高了動(dòng)手能力。

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Expansion of the Ultrasonic Sound Velocity Measurement Experiment

ZHU Daoyun, WU Xiao, PANG Wei, CHEN Jun, ZHOU Yuchang

(Department of Experimental Teaching，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

The measurements of voltage amplitude and frequency by oscilloscope were appended to the ultrasonic sound velocity measurement experiment. By expanding the content of the training, oscilloscope exercises were strengthened, the understanding of resonant knowledge was consolidated and signal attenuation was observed. The ability of students to use the software mapping was also trained and the college physics experiment content was enriched.

ultrasonic wave; oscilloscope; voltage: frequency

2014-03-16

廣東省高等教育學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室管理專業(yè)委員會(huì)基金項(xiàng)目(GDJ2012059)；廣東工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2013ZY005)；廣東工業(yè)大學(xué)高教研究基金項(xiàng)目(2011YZ07)。

朱道云(1975-)女，博士，講師，研究方向：功能材料、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理。

O426；G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.006